隨著信息化工業(yè)化的不斷融合，以機(jī)器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，人們期待未來(lái)能夠研發(fā)出與人和生物更加接近的仿人仿生機(jī)器人。當(dāng)前，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì)是智能化以及人與機(jī)器人的交互共融。柔性傳感器技術(shù)是機(jī)器人智能化的先決條件，其中電子皮膚及柔性圖像傳感陣列可被應(yīng)用在機(jī)器人觸覺(jué)以及視覺(jué)系統(tǒng)中直接關(guān)系到下一代機(jī)器人醫(yī)療設(shè)備人體假肢和可穿戴設(shè)備等載體的智能化和多功能化。

 電子皮膚，是一種可以讓機(jī)器人產(chǎn)生觸覺(jué)的系統(tǒng)，能像衣服一樣附著在設(shè)備表面，能夠讓機(jī)器人感知到物體的地點(diǎn)和方位以及硬度等信息。新型柔性傳感器的發(fā)明，使電子皮膚在具有觸覺(jué)的同時(shí)也可以感應(yīng)到周圍環(huán)境其它信息的變化，在此之前，只有真正的皮膚才擁有這樣的功能，電子產(chǎn)品沒(méi)有這樣的感知能力。最近10年里，科學(xué)家們一直在努力攻克讓電子產(chǎn)品獲得人類觸覺(jué)能力的技術(shù)。但他們最初開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品每次只能感知一個(gè)信息——比如溫度、壓力或者光照強(qiáng)度。研究人員一直試圖將這些感知系統(tǒng)整合到一起，但結(jié)果卻不盡如人意?，F(xiàn)在，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的沈國(guó)震研究員開(kāi)發(fā)出了一種多功能自驅(qū)動(dòng)的“電子皮膚”，這種皮膚除了能夠像人的皮膚一樣感受到壓力外，還能夠感受到光照及環(huán)境氣體，實(shí)現(xiàn)并超越了人體皮膚功能。

柔性復(fù)合石墨烯基多功能自供電電子皮膚

 這一研究成果刊發(fā)在了最近的《納米能源》期刊上。研究的最大特點(diǎn)就是，傳感器可以同時(shí)檢測(cè)到微小壓力、環(huán)境氣體以及光照強(qiáng)度三種數(shù)據(jù)的變化,并且通過(guò)與微型超級(jí)電容器的集成實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部供電的自驅(qū)動(dòng)一體化集成系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)電子皮膚外部供電軟硬鏈接問(wèn)題，拓寬了電子皮膚的應(yīng)用范圍。而其奧秘就在于研究者所使用的是三維網(wǎng)狀石墨烯結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的材料體系既能夠作為能源存儲(chǔ)材料，有很高的能量密度，為自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流，同時(shí)對(duì)壓力、光照以及有毒有害氣體也具有很好的響應(yīng)。

 通過(guò)與解放軍301醫(yī)院合作，這種自驅(qū)動(dòng)電子皮膚已經(jīng)被嘗試應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏、語(yǔ)音等人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)快速檢測(cè)，通過(guò)對(duì)人體說(shuō)話時(shí)喉部肌肉群運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微弱壓力變化及脈搏波形變化分析，初步實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音識(shí)別和人體不同生理狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)，有望在語(yǔ)音輔助輸出系統(tǒng)、人體健康評(píng)價(jià)和疾病前期診斷方面獲得廣泛應(yīng)用。此外，沈國(guó)震領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)還嘗試將這種電子皮膚與胃管集成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者胃部壓強(qiáng)變化，為胃部手術(shù)患者帶來(lái)福音。一些移植學(xué)人士看好這項(xiàng)技術(shù)，認(rèn)為它今后可以運(yùn)用于皮膚移植，或用于改進(jìn)沒(méi)有感知力的假肢。隨著透明和可拉伸電子皮膚的相繼出現(xiàn)，以及與新型生物傳感器的結(jié)合運(yùn)用，人造電子皮膚會(huì)接近并超越人類皮膚的功能。

 除了觸覺(jué)外，視覺(jué)系統(tǒng)也是機(jī)器人系統(tǒng)組成的重要部分之一。機(jī)器人視覺(jué)可以通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取環(huán)境的二維圖像，并通過(guò)視覺(jué)處理器進(jìn)行分析和解釋，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為符號(hào)，讓機(jī)器人能夠辨識(shí)物體，并確定其位置。目前機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)多數(shù)以可見(jiàn)光視覺(jué)為主，這就極大的限定了機(jī)器人應(yīng)用范圍以及應(yīng)用場(chǎng)合。紫外視覺(jué)成像技術(shù)，作為對(duì)紫外光的重要應(yīng)用之一，在犯罪偵查、漏油探測(cè)、火災(zāi)監(jiān)控以及高壓線路檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的紫外圖像傳感器一般都是基于硅基等剛性襯底，這就決定了其本身無(wú)法彎曲、體積較大不易攜帶，無(wú)法滿足機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。與硅基器件相比，柔性紫外圖像傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、可彎曲等特點(diǎn)，能夠更好地與機(jī)器人的眼球相貼合，賦予機(jī)器人以紫外視覺(jué)功能，從而能大大拓展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

柔性紫外圖像傳感器

 近日，沈國(guó)震領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功研制出一種同時(shí)具備高光電導(dǎo)增益、低暗電流和快響應(yīng)速度等特點(diǎn)的柔性紫外圖像傳感器。該器件將對(duì)紫外光非常敏感的納米線材料制作在柔性塑料薄膜襯底上，從而具有優(yōu)異的可彎曲性和機(jī)械穩(wěn)定性。在彎曲條件下，所研制的柔性紫外圖像傳感器能夠有效地對(duì)紫外圖像進(jìn)行感應(yīng)并重現(xiàn)，證明了其在高性能柔性紫外成像方面的潛在應(yīng)用，也為機(jī)器人紫外視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了曙光。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》上。