機器人皮膚再獲進展，鮑哲南團隊研發“電子手套”讓機器獲得觸覺
如果我們對于機器人的終極目標是希望它就像人類一樣耳聰目明又靈活的話，感官是不可缺少的關鍵，通過攝像頭賦予機器視覺、利用傳感器建立聽覺之外，現在世界許多科學家正在努力建立機器人的觸覺，像是重量級科學家、斯坦福大學教授鮑哲南，在柔性電子、電子皮膚領域開創出許多新技術，最新的進展是她及研究團隊研發出一種電子手套，可以為機器人的手增加靈巧性，例如當機器人的手觸摸到莓果時會自動停下來，庫卡機器人何服電機維修，或是當機器人手施力拿取、移動乒乓球時保持適當的力道而不會將其壓扁，讓機器人的觸覺往更近似人類的方向前進，該研究論文已發表在ScienceRobotics上。
圖丨鮑哲南（來源：斯坦福大學）
其他還有像是休斯頓大學（UniversityofHouston）機械工程系助理教授余存江，也是《麻省理工科技評論》中國區35歲以下科技創新35人的獲選者，他與團隊開發出可拉伸全橡膠電子器件材料能應用在人造皮膚材料上，將其包裹或穿戴在機器人手上，機器人變得有觸覺，可以感知杯子的水是冰或熱。
另外，英國蘇格蘭格拉斯哥大學（UniversityofGlasgow）的研究人員在去年3月設計出一種基于石墨烯的軟性電容式觸控傳感器，兼具觸控及壓力感測功能，觸覺感應層可堆疊在剛性或軟性的太陽能（PV）電池上，在操作時自動供電。
約翰霍普金斯大學（JohnsHopkinsUniversity）的研究團隊在今年8月利用嵌入導體的織物和橡膠制作可任意伸縮的電子皮膚，將其套上義肢，外部受到壓力時，皮膚就會向截肢處的現有神經發送電脈沖，再而傳達到大腦，形成觸覺。
早在1970年代科學家就著手研究電子皮膚，現在全球投入該領域的科研單位也很多，為什么這是個重要的議題，因為可應用的領域很廣，包括醫療健康領域的假肢、復健機器人、外骨骼機器人、消費電子的穿戴式裝置、工業機器人與人類協同工作時的安全防護、特殊領域的機器人等，還有更多現在不存在的科幻應用都可能實現，市場商機潛力龐大。
鮑哲南及團隊最新研究
最近，斯坦福大學華裔化學家鮑哲南教授和她的團隊研發了一個具有觸覺傳感器的手套，機械手臂在帶上手套后能夠具備部分和人類皮膚類似的觸覺能力。
我們知道，人類的表層皮膚充滿了感受器，可以感受到壓力，熱量和其他刺激。在皮膚感受外界壓力時，皮膚中的棘層起到了重要的作用。棘細胞表面有許多棘狀突起，當外界有壓力傳來時，外層皮膚層在壓力作用下率先接觸到突起的頂端，觸覺由此產生；當壓力增大時，外層皮膚層會繼續接觸到這些突起的底部。在這樣的機制下，我們能夠自然的感受到外界對皮膚的壓力同時判斷壓力的大小。
與此同時，外界壓力作用下，對棘層突起產生不同方向的刺激也能讓皮膚感受到外力的方向。比如我們用兩只手指夾起一個物體，我們能清楚的感受到一個向下的力。
（圖片來源：ScienceRobotics）
為了做到讓電子手套實現部分與人手類似的感受能力，該團隊在電子手套在設計上也參照了人手的工作原理。
在電子手套上，每一處傳感器都有三個柔性層組成。其中頂層和底層是具有電活性的，研究人員在兩個表面上鋪設互相垂直的電線形成電線網格，以形成一個個小而密集的感受陣列。同時，他們還將底層柔性層設置成像皮膚棘層一樣的不平整的形態。
而位于中間層的絕緣層則將上下兩層的帶電層分開。這一層也至關重要，上下兩層帶電層在保持靠近、但未接觸的情況下可以對電能進行儲存。因此當有壓力作用到手套上時，頂層和底層在壓力的作用下，互相的距離會被縮短，此時儲存的電能就會增加，以此感受到壓力。同時與皮膚棘層一樣，不平整的底層則會將壓力的強度和具體方向反映到網格上，以此達到像人類的皮膚一樣能夠感受到壓力的強度和方向。
在該團隊進行的一項試驗中，機械手在戴上電子手套后，輕輕觸摸一枚莓果并立即收手，莓果在被觸碰之后依然保持完好無損的狀態。在另一個試驗中，機器手還能在感受到手表面的切向力，同時作出應對，實現了用機器手抓住一個乒乓球，在保證其不掉落和不會被捏碎的前提下將乒乓球進行上下和左右移動。
鮑哲南表示，目前，它已經能夠夠執行一些重復性的任務，比如重復地在傳送帶拿起雞蛋再放入旁邊的箱子中。但她并未滿足于此，她表示其最終的目標是在目前的基礎之上繼續升級，最終實現讓手臂能在未經過預先設定程序的情況下，也能自動用適當的力度將物體拿起。同時，目前在手套上實現功能也會在未來完全嵌入到機械手臂中。
對于這項技術的未來設想，鮑哲南表示這項技術還能運用到機器人輔助手術中，她認為在手術場景下，對觸覺的精準控制是非常重要的。
（來源：斯坦福官網）
安全皮膚落地工業環境，為工業機器手臂點穴
電子皮膚是將來電子工業發展的方向和趨勢，機器人維修，學術界的研究也實現了進展，但不可諱言，一些創新想法及技術所面臨的挑戰往往是技術太困難，生產良率低，尚未進入大規模量產，否則就是盡管能夠量產，但產品成本太昂貴。因此，想要實現在民用級產品中、商業化應用可能還需要時間，如果是醫療領域，還需要取得醫療監管機構的認證，時間可能會更久。
不過，目前電子皮膚在工業場景中倒是已有小量的落地應用，那就是為工業機器人打造的安全皮膚。例如，從工研院獨立出來的初創公司原見精機，專門鎖定工業機器人皮膚，通過自研的表面傳感器讓外觀看似塑膠的材質具備觸覺。
原見精機總經理盧元立接受DT君采訪時表示，過去在工廠、汽車生產間環境的機器手臂負載（payload）高、加上追求高耐用度，所以體積都很龐大，過去都是設置圍欄阻隔的方式來避免危險發生。但許多工廠環境、小流水線的流程是人類與機器合作生產產品，因此近年興起的一項趨勢是協同機器人，來提高人機協作的安全性。
另一個安全防護方式就是安全皮膚，將其包覆在機器手臂上使用，讓機器有觸覺，當機器碰觸到人或物體，KUKA機器人維修，機器手臂就會立刻停下，就像被點穴一樣，人一碰就停住。目前歐洲、日本的工業機器人大廠包括川崎重工、abb、Epson等也有意采用安全皮膚。
圖｜藍色表皮為用于工業機器手臂的安全皮膚（資料來源：原見精機官網）
他進一步指出，在研發安全皮膚必須兼顧物理和電子特性，化學材料必須均勻批覆，材料配方跟比例則是各家的機密，還要跟多個傳感器如力度傳感器、溫度傳感器等、電路設計整合。第一個困難點是觸覺傳感器必須足夠敏感，人的指尖觸覺最小感測大小約8毫米，機器人的觸覺傳感器若超過8毫米就感覺不到，無法達到效果，那就是缺陷，因此如何讓機器人的觸覺等同人手、甚至比人手還精密就考驗各家廠商的技術，原見精機的方案可做到5毫米。