皮膚是人體中最大的器官，包在人身體，表面是人類與外界交互的媒介。
在每個人柔軟的皮膚下面都有超過150,000公里的神經(jīng)和數(shù)以萬計的傳感器，以便快速、及時地向大腦傳輸周圍信號進(jìn)而使人體做出反應(yīng)。比如，當(dāng)一個人被咖啡杯燙到手時，他會立馬做出收回手的反應(yīng)。
那么如果機(jī)器人擁有了人類一樣的皮膚后，是否能像人類一樣靈活自如呢？
從而誕生了電子皮膚，顧名思義就是對人類皮膚進(jìn)行模擬甚至是還原，從而使機(jī)器人擁有像人類一樣的觸覺。
通常情況下，為了模仿人類皮膚的功能和機(jī)械特性、能夠像衣服一樣附著在設(shè)備表面，電子皮膚多由輕薄、透明、柔軟、拉伸性優(yōu)良的材料制成。
理想的電子皮膚應(yīng)具有快速響應(yīng)的觸覺感知和反饋能力、良好的擴(kuò)展性和耐用性。該項技術(shù)重點在于一種名為QCT的復(fù)合材料，由美國麻省理工學(xué)院的技術(shù)人員研發(fā)而成。
但目前人類在這個領(lǐng)域還需投入更多的資源去研發(fā)，在新加坡國立大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系、新加坡國立大學(xué)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所、N.1健康研究所任職的 Tee 助理教授表示：“人類通過觸覺來完成幾乎每一項日常任務(wù)，比如拿起一杯咖啡或握手。同樣，機(jī)器人也需要有觸覺才能更好地與人互動，但如今機(jī)器人仍然無法很好地感知物體?！?/span>
圖片來源：OFweek維科網(wǎng)
不過，隨著不斷的深入研究和探索，人類在該領(lǐng)域也取得了一個又一個成果。比如在2019年7月18日研發(fā)出的異步編碼電子皮膚(ACES)。
這是一種具有更加強(qiáng)大的人工神經(jīng)系統(tǒng)的電子皮膚，該電子皮膚由新加坡國立大學(xué)(NUS)的一組研究人員研發(fā)，他們從人類的感覺神經(jīng)系統(tǒng)中獲得靈感，歷時一年半開發(fā)出來。
作為一種神經(jīng)模擬架構(gòu)，ACES可以同時傳輸熱觸覺信號，同時保持極低的延遲。即使在內(nèi)部有超過10,000個傳感器，也不會影響它傳輸信號。
ACES由 240 個接收器（模仿皮膚受體）構(gòu)成，各個接收器之間相對獨立。每個接收器均由一個電阻傳感器、一個微控制器和幾個無源組件組成，同時利用分壓器電路將電阻轉(zhuǎn)換為電壓值。
圖片來源：OFweek維科網(wǎng)
其中的傳感器主要由物理傳感器構(gòu)成，這種傳感器被放置在塑料夾層中，可以識別到壓力、彎曲及溫度，以便于提高機(jī)器人對外界的識別能力。
基于ACES的構(gòu)造，它與傳統(tǒng)的電子皮膚相比，最突出的優(yōu)點就是超強(qiáng)的反應(yīng)能力和抗損能力。
1、超快的反應(yīng)速度
由于接收器的電脈沖時序各不相同，ACES可在同一時間傳輸多個接收器信號，再將組合的寬脈沖信號傳輸至一個解碼器解碼。這將大大減少機(jī)器人從受到刺激到做出反應(yīng)所需的時間。
在研發(fā)的過程中，研究者裝置了多達(dá)240個人工機(jī)械感受器的原型陣列，這些感受器以1毫秒的延遲異步傳輸刺激信號，同時保持了小于60納秒（1納秒等于10億分之一秒）的超高時間精度，這使得ACES皮膚能在10毫秒內(nèi)準(zhǔn)確識別物體的形狀、質(zhì)地和硬度，比眨眼的速度還要快10倍。
可以說，ACES就是一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以像人類感覺神經(jīng)系統(tǒng)一樣檢測觸覺信號，但它的檢測速度要比人類感覺神經(jīng)系統(tǒng)快1000倍以上。
2、超強(qiáng)的抗損傷能力
ACES 的設(shè)計使其能承受高度的損傷，對于電子皮膚來說，這是一項非常重要的特性，因為它們需要與環(huán)境進(jìn)行頻繁的物理接觸。
Tee 助理教授表示：“人類感覺神經(jīng)系統(tǒng)非常高效，它一直在起作用，到達(dá)了一種我們認(rèn)為理所當(dāng)然的程度。它也非?？箵p傷。例如，當(dāng)我們被割傷時，我們的觸覺不會受到影響。如果我們可以模仿生物系統(tǒng)的工作方式并做得更好，那么我們就可以在主要采用電子皮膚的機(jī)器人領(lǐng)域取得巨大進(jìn)步?！?/span>
因此，ACES采用的是和傳統(tǒng)電子皮膚不一樣的構(gòu)造。ACES的傳感器不像傳統(tǒng)電子皮膚那樣是互相連接的，而是讓所有傳感器都可以連接到一個共同的導(dǎo)體，且每個傳感器獨立工作。
這樣一來，只要傳感器和導(dǎo)體之間存在一個連接，ACES使能的電子皮膚就可以繼續(xù)工作，從而不容易受到損傷的影響，而且還可以進(jìn)一步擴(kuò)大接收器數(shù)量，實現(xiàn)大范圍感知。
ACES電子皮膚的架構(gòu)只需要一根導(dǎo)電線傳輸信號，因其簡單的布線系統(tǒng)和卓越的響應(yīng)能力，在機(jī)器人、假肢、腦機(jī)接口、神經(jīng)形態(tài)硬件等領(lǐng)域有無比廣闊的前景。
此外，這種電子皮膚的擴(kuò)展性、柔韌性非常好，還可用于設(shè)計傳感器、自修復(fù)電子皮膚等。如Tee助理教授所說：“ACES可以很容易地與任何類型的傳感器皮膚層配對，例如，那些設(shè)計用來感知溫度和濕度的傳感器?！?/span>
圖片來源：OFweek維科網(wǎng)
ACES是人類在電子皮膚領(lǐng)域取得的重要成果，為機(jī)器人行業(yè)添上了濃重的一筆。
除了ACES，人類在電子皮膚方面也取得了很多其他的成就，比如：由橡膠和織物打造的新型電子皮膚，能夠覆蓋假手的指尖并且產(chǎn)生電脈沖，形成像痛感傳遞一樣的感覺；還有一種結(jié)實、有彈性、靈敏度較高的人造皮膚，可以自修復(fù)5000多次。
在不久的未來，隨著研究人員的不斷深入，相信會有更加類似于人類皮膚的電子皮膚出現(xiàn)。
屆時，電子皮膚的應(yīng)用就不會局限于此，更多的可能用于智能機(jī)器人、醫(yī)學(xué)、3D打印等領(lǐng)域，并給這些領(lǐng)域帶來質(zhì)的改變。
END
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