放置在人體皮膚上的電子皮膚對用于遠(yuǎn)程控制機器人的表面肌電信號進行解碼

人的皮膚柔軟而具有彈性，有數(shù)百萬個能感知冷熱和觸覺的神經(jīng)末梢。這使其成為檢測和響應(yīng)外部世界的極好工具。在過去的 40 年里，學(xué)者們一直致力于在人工皮膚中實現(xiàn)這些功能，但這種嘗試始終未能實現(xiàn)人體皮膚的多功能性和適應(yīng)性。然而，現(xiàn)在，新的研究增加了更多的功能和復(fù)雜性，使該領(lǐng)域更接近其最終目標(biāo)：電子皮膚，其用途從覆蓋機器人到將可穿戴設(shè)備粘貼到人的身上。有一天，這些設(shè)備甚至可以讓人類遠(yuǎn)程控制機器人并“感受”它們檢測到的信號。

Wireless sensor detects an enzyme released by infection. Credit: Ze Xiong

“在 1980 年代，可以稱之為粗糙版皮膚的觸摸傳感器開始出現(xiàn)，”Glasgow大學(xué)電子和納米工程教授、可彎曲電子和傳感技術(shù)小組的負(fù)責(zé)人 Ravinder Dahiya 說。第一個柔性傳感器陣列建于 1980 年代中期。其中一個陣列使用的是 Kapton薄膜，這是一種 1960 年代發(fā)明的柔性但不可拉伸的薄膜，這種薄膜可以支持紅外傳感器和探測器。這種“皮膚”包裹在一個簡單的機械臂上，這使得機械臂可以與人類芭蕾舞演員“跳舞”：如果舞蹈演員在機械臂的 20 厘米以內(nèi)，機械臂可以感知她的動作并自發(fā)地調(diào)整自己的動作來做出反應(yīng)。

但與生物皮膚相比，以上實現(xiàn)的能力還是十分初級的。在 21世紀(jì)，可用的材料和電子產(chǎn)品變得更柔軟、更靈活，最重要的是，還具有可拉伸性。Dahiya 說，這些改進使研究人員能夠?qū)⑿碌膫鞲衅骱碗娮釉O(shè)備整合到一個成熟的皮膚系統(tǒng)中。系統(tǒng)包括一個可以彎曲和伸展的皮膚狀底座，配備電源、各種傳感器以及將傳感器信息發(fā)送到中央處理器的方法。

觸摸傳感器和溫度傳感器首次開發(fā)并運用到這種系統(tǒng)上。California理工學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程師 Wei Gao 決定嘗試將這些傳感器與可以檢測化學(xué)物質(zhì)的傳感器結(jié)合起來?！拔覀兿雱?chuàng)造一種具有物理感知能力的機器人皮膚，”Gao說?！按送?，我們希望賦予它強大的化學(xué)感應(yīng)能力。”他團隊的工作于本月初發(fā)表在期刊 Science Robotics上。

Gao的實驗室使用噴墨打印機將一種由納米材料（金屬、碳或其他化合物的微小混合物）制成的專用墨水鋪在柔軟的水凝膠基底中。使用不同的納米材料墨水進行打印，每種墨水都可以檢測特定的化學(xué)物質(zhì)，Gao 的團隊開發(fā)了可以感知爆炸物、神經(jīng)毒劑（例如化學(xué)戰(zhàn)中使用的化學(xué)物質(zhì)）甚至病毒（例如引起 COVID 的 SARS-CoV-2）的皮膚。研究人員還結(jié)合了先前開發(fā)的壓力傳感器和溫度傳感器。最終制成的電子皮膚看起來像一個表面鑲嵌有金屬圖案的透明創(chuàng)可貼。

生物醫(yī)學(xué)工程師 Wei Gao 實驗室制造的電子皮膚。放置在人類前臂上的貼片可以控制貼片附近的機械臂。當(dāng)電子皮膚放置在機器人手上時，電子皮膚讓機器人“感受”它所握的東西。

這種皮膚的功能不僅僅是感知環(huán)境。“我們還想確?？梢詫崿F(xiàn)人機交互，”Gao說。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該團隊開發(fā)了一個人工智能程序，以實現(xiàn)兩個電子皮膚貼片之間的連接——一個在機器人上，另一個在人身上。電子皮膚打印過程是可擴展的，因此研究人員能夠為機器手打印指尖大小的貼片，為人類前臂打印更大的貼片。這種皮膚使機器人能夠“感覺到”它抓緊物體的程度，并感知該物體是否涂有特定的化學(xué)物質(zhì)。與此同時，人類獲得了遠(yuǎn)程控制機器人的能力，并在機器人檢測到這些化學(xué)物質(zhì)時感受到來自機器人的電信號。研究人員表示，這種人機互動有朝一日可能會使機器人在不適合人類居住的地方代替人類進行控制。

Gao的項目需要一個外部設(shè)備來處理電子皮膚的傳感器數(shù)據(jù)。實驗人員使用了多層金屬墨水——用于傳感和穩(wěn)定，并將傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)礁浇挠嬎銠C或手機以進行收集和處理。但這并不是機器人皮膚分析其獲取的信息的唯一方法。其他實驗室正在研究類似于人類神經(jīng)系統(tǒng)對信息進行分類的皮膚。

Dahiya 使用人類皮膚作為他的電子皮膚數(shù)據(jù)處理的靈感，在本月發(fā)表在期刊Science Robotics的文章中進行了闡述。他說，使用晶體管和電容器等電子構(gòu)件，“我們可以開發(fā)出類似于外周神經(jīng)系統(tǒng)的東西?！痹谒南到y(tǒng)中，來自傳感器的信號在發(fā)送到中央處理器之前必須達(dá)到某個閾值。這種設(shè)置減少了每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量?！澳悴荒軣o限的發(fā)送數(shù)據(jù)，”Dahiya 解釋說?！叭绻阆氚l(fā)送大量的數(shù)據(jù)，你需要安排數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)排好隊，等待前面的數(shù)據(jù)執(zhí)行完再依次執(zhí)行?！?/p>

Dahiya 的團隊開發(fā)了一種觸摸傳感器，該傳感器使用微型晶體管（控制與其他電子元件之間的電流流動的設(shè)備）來幫助機器人皮膚感覺和學(xué)習(xí)。按壓皮膚中的晶體管會導(dǎo)致電流發(fā)生變化，從而使機器人“感受到”壓力。隨著時間的推移，它可以根據(jù)檢測到的壓力量調(diào)整相應(yīng)的響應(yīng)?！斑@些都是類似神經(jīng)的晶體管，可以學(xué)習(xí)，可以調(diào)整，”他說。他補充說，電子皮膚學(xué)會了與機器人等效的疼痛感知，因此在感覺到“疼痛”之前電子皮膚不會傳遞信號。

除了遠(yuǎn)程控制機器人或教它們適應(yīng)環(huán)境之外，電子皮膚還有許多其他應(yīng)用?！拔艺J(rèn)為，很多機會并全是是機器人的，”Carnegie Mellon大學(xué)的機械工程師 Carmel Majidi 說，他的實驗室專門開發(fā)與人類兼容的電子產(chǎn)品開發(fā)軟材料。Majidi 設(shè)想電子皮膚可以為機器人制造良好的傳感器，也可以適用于更普通的物體。例如，它們可以為交互式電子設(shè)備提供柔軟、靈活的觸摸板。或者用于敏感服裝或室內(nèi)裝潢，以檢測極端溫度和其他環(huán)境條件。這種皮膚也可能有助于醫(yī)學(xué)的發(fā)展。“希望這些電子皮膚作為貼紙貼在人身上，并可以追蹤人的生命體征，”Majidi 說。

在商業(yè)用途方面，目前的電子皮膚仍有問題需要解決。Gao指出，產(chǎn)品的耐用性很重要?！暗娮悠つw的主要挑戰(zhàn)之一是長期運行的可靠性和健壯性?！奔词姑媾R這樣的挑戰(zhàn)，Gao說未來五年內(nèi)，電子皮膚可能會首先出現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中。

“限制發(fā)展的因素實際上并不在技術(shù)。我認(rèn)為這更多的因素是需求，”Majidi談到商業(yè)可用性時說。“在人們的家中安裝機器人并沒有普及。”但對于電子皮膚的所有可能應(yīng)用而言，與工程領(lǐng)域以外的各方合作至關(guān)重要?！安皇菣C器人專家、不是工程師的人，不應(yīng)該覺得他們進入該領(lǐng)域非常困難，”他說。Majidi 表示，潛在的合作者可能是使用可配備電子皮膚傳感器的假肢的人，或者是患有慢性疾病并可能受益于通過可穿戴貼片進行持續(xù)監(jiān)測的人。

編輯：黃飛

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