机器人新“皮肤”问世：能感受一粒米的重量，优于电阻传感器一万倍

国外媒体 Tech Xplore 报道，新加坡南洋理工大学（NTU）的研究人员研发了一种轻量级（lightweight）超灵敏压力传感器（tactile sensors）。该压力传感器能够检测到一片花瓣或者一粒大米的重量，同时也可以“打印”在塑料薄膜等弹性材料上。

此次，研究小组的压力传感器利用固态聚合物电解质（solid-state polymer electrolytes）制造了一个薄膜有机电化学晶体管（organic electrochemical transistors，OECTs）。

据研究人员介绍，新型 OECTs 比之前的有机场效应晶体管型传感器（organic field effect transistor-type sensors）的灵敏度高 10 倍。研究团队认为，他们的研究产品为机器人的“皮肤”和轻量级的保健监测（health-monitoring）奠定了良好的基础。

OECTs 是传导离子（ions）和电子（electrons）的晶体管（transistors）。它们可以检测到生物数据并将其转换为电子数据，如心跳和脑电波。它们常被用于各种医疗设备、能源存储等领域。研究人员常用 OECTs 材料制造各类传感器。

传统的 OECTs 会通过液体电解质传输生物数据。但液体电解质存在一定的局限性，它们通常很大、操作寿命有限，并且液体电解质难以感受到触觉感知（tactile input）或者外部压力。

此次，研究小组的压力传感器用固体聚合物电解质代替液体电解质。固体聚合物电解质可以和液体电解质一样有效地传导离子和电子，同时克服它们的局限性。

电气与电子工程学院助理教授梁伟林（Assistant Professor Leong Wei Lin from the School of Electrical and Electronic Engineering）说，“我们研发的固态 OECTs 比液体电解质更具优势。因为固态电解质没有泄漏的风险，所以这些新型传感器可以弯曲，能够灵活地适应各种表面，而且打印不同尺寸的传感器的价格都很便宜。固态 OECTs 消耗极低的电力，能够在特定的地点刺激生物反应。这些特点都能让它们在医疗保健和食品处理中的过程中保证使用安全”。

此次，研究团队研发了一种轻量级超灵敏压力传感器。当该传感器感受到外界施加的压力时，它会通过电压的变化维持工作。每个传感器的顶部都有一层小金字塔形的电极层（electrode layer）。它们通过这个金字塔的尖端就可以感受到极轻物体的重量。

当外界对这些“小金字塔”施加压力时，这些“金字塔”就会变形，同时将移动的离子从电极层推到导电层。OECTs 可以测量到因离子的运动产生的电压变化，并转化为压力敏感度。

▲来自 NTU 官网的研究报告截图

这款压力传感器可以检测到极轻物体（1.1Pa 或 0.0112g/cm² 的物体）。它们比目前人们常使用的电容式传感器、电阻传感器、电压传感器都要更灵敏。

梁教授将新型传感器与常见的传感器作了个比较，“新型 OECTs 检测到小压力输入，会快速的调节至高压灵敏度（high pressure sensitivity）—— 这会优于电容压力传感器（capacitive pressure sensors）1 万倍，优于电阻传感器（resistive sensors）100 倍，优于有机场效应晶体管型传感器 10 倍”。

目前，研究团队已经将这些传感器集成到机器人的“手”上，让机器人能够通过传感器抓住更小的物体。该团队还正在继续开发这项技术，希望给机器人创造更好的一双“手”。

该团队希望能将这些传感器打印成一块块的“补丁”，作为智能机器人的“皮肤”。拥有这样“皮肤”的机器人能对外界刺激快速反应，会更像人类。当有人从他们身边经过时，这些机器人通过“皮肤”感知到，停下来，清楚发生了什么之后，再继续前进。

同时，由于新型传感器内置低工作电压，它能以极低的功率维持工作，减少了对电池组的需求。

新型传感器也可以为皮肤敏感的患者测量脉搏和血压。它们可以印在像绷带一样薄的贴片上，让医务人员可以把它们贴在病人身上监测患者数据。

目前，该研究专注于将轻量级超灵敏压力传感器商业化。

梁教授认为，“研发高敏感度的柔性压力传感器对新技术具有极大的吸引力，如信息物理系统（cyber-physical systems）、软体机器人技术（soft robotics）和可穿戴医疗保健设备（wearable healthcare devices）”。

结语：传感器市场火热，可穿戴传感器或成大势所趋

随着越来越多以及越来越个性化的用户需求出现，可穿戴设备对传感器的发展提出了更高的要求。

6 月 8 日，韩国三星先进技术研究院发布了一款以柔性 OLED 为显示屏的“皮肤贴片”，其内置可延展的传感器。

据英国市场调研公司 IDTechEx 报告，2019 年，可穿戴设备市场规模达到近 700 亿美元。报告表明，目前市场上的可穿戴设备添加了许多复杂的传感器选项。可穿戴传感器在工业、军事和安全领域的应用日趋成熟。

尽管大家对新的技术产品翘首以盼，但目前可穿戴传感器还需经过多次实验，距离全面落地现实尚远。我们对此应抱有谨慎乐观的态度。