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從2014年的《超體》、《星際穿越》到2015年的《超能陸戰隊》、2019年的《流浪地球》，以人工智能為題材的機器人是所有科幻導演們的寵兒，機器人除卻在外形和智力上與人類無異，甚至在皮膚感知、神經觸覺等方面更甚。而隨著機器學習與卷積神經網絡技術的不斷更迭，電影上的VR場景正一一變為現實。
近日，《麻省理工科技評論》發表了一篇名為《傳感器填充的“皮膚”可以為假手提供更好的觸感》介紹了新加坡大學的團隊在“電子皮膚”上的研究進展。該團隊發表在Science Robotics的論文中，向大家展示了一篇幫助機器人檢測和理解外部環境的“電子皮膚”。
這款“電子皮膚”如風卷海浪般掀起一波AI潮，實驗室AI新技術一直是當前產業發展的補給站，同時也是助力商業落地化的催化劑。“電子皮膚”可以讓機器人感受外部世界的信息，并將信號傳輸到機器人的大腦，從而做出相應的反映和判斷。結合當前醫療產業和機器人制造產業發展的挑戰難點，該項技術一定是助其實現跨越式進階的“必需品”，此中有真意，欲辨看下文。
壓力傳導和“電子皮膚”，讓機器人“感知”外部世界
首先，讓我們先聽聽“電子皮膚”Benjamin Tee的故事......
牛頓發現地心引力，愛因斯坦發現相對論，任何一項科技創新都源自“好奇”。Benjamin Tee曾提到：“當我還是個孩子的時候，我對外界事物充滿了好奇心，因此我總是會打碎東西來了解他們。”小時候將祖母的鬧鐘打碎的經歷，更是激發他對于物理世界的探知。
在他作為斯坦福大學的一名博士生時，他與團隊成員一同開發了一款“智能繃帶”，這款繃帶可以讓檢測到手腕附近橈動脈的脈搏，并且可以評估你動脈的健康狀況。由此可見，智能感應是Benjamin Tee一直堅持并癡迷的研究方向。因此，他開發了這款壓力敏感性的“電子皮膚”，這款“電子皮膚”覆蓋了240個傳感器，用于接收壓力，溫度和濕度等外界信息，并且可以將這些信息傳輸到單個解碼器，供機器人評估外部環境。
《由神經啟發的適用于可擴展電子皮膚的人工周圍神經系統》論文中講到：理想的電子皮膚應具有高度響應性，能夠解決毫秒級的觸覺刺激，以促進快速鑒別。這使得新興的靈巧機器人能夠快速對高度局部化和瞬態接觸事件做出反應，例如針刺或物體滑動等。
高度響應、刺激反饋，這些對于傳感器的傳輸方式都會有一定要求。Benjamin Tee團隊此前發布的觸覺敏感電子皮膚，主要是通過串行傳輸。但隨著傳感器的數量增加，便會導致延遲瓶頸和布線復雜。為攻破技術難關，此次發布的異步編碼電子皮膚(ACES)是一種神經模擬結構，該“皮膚”能夠同時傳輸熱、觸覺信息，即便陣列大小超過10,000個傳感器也可以保持極低的讀出延遲。
溫度感應、觸覺傳達等接近人體皮膚感應的傳輸反饋，是該項新興AI技術的大亮點，但是，當今產學研發展普遍存在的現狀是：實驗室科學技術從誕生到落地化量產是斷層隔離式發展。技術很新但是產品應用價值低，賦能面窄，因此從實驗室的技術研發，想要達到技術成熟產品落地，結合其工作原理，下一步需要考慮的，務必是科學材料和產品形態。
電子皮膚靈敏與否，材料是關鍵
在生活和工作中我們難免會遇到小磕小碰，皮膚接收到外部刺激以后，利用肌肉和神經將信號傳輸給大腦。“電子皮膚”的工作原理也是如此，通過具有可拉伸的、柔性的、具有導電性的高分子材料接收外部信息，如溫度、濕度、壓力等，外部刺激造成變化會導致材料的電阻、電容等電學特性發生改變，從而實現運動的響應。
而這類柔性、可拉伸的導電材料一般都是由特定的基質和導電介質之間的復合實現的，基質目前常用的就是凝膠和彈性體。導電介質一般依靠石墨烯、碳納米管這類納米材料。而且這些導電介質還可以實現信號的傳輸，這樣就可以實現設備間的通訊。
伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的材料科學家羅杰斯發現，電子皮膚貼在頭部附近，它便會記錄腦電波，放在心臟附近便會獲取心臟信息。試想一下，一個人把芯片放在喉嚨的位置，附著在脖子上的設備可以檢測說話的喉嚨運動。這意味著另一個人不需要任何交流，便可以進行無聲的信息交流，想想都覺得很刺激。
自1990s以來，科學家開始使用柔性電子材料來制備大面積、低成本和可印刷的傳感器片，使得制備出的電子皮膚具有柔性和更有利于降低生產成本。2008年，鮑哲南教授團隊開始電子皮膚方面的研究, 成為早開展該領域研究的科研團隊之一，鮑哲南也因在電子皮膚領域做出了重大貢獻，被稱為“人工電子皮膚”之母。
目前，鮑哲南團隊在靈敏度、響應時間、壓力感知、可拉伸性和透明性、自修復、會變色等特性上均有一定進展。除了鮑哲南團隊以外，美國斯坦福大學、日本東京大學、中國科學院化學研究所、新加坡南洋理工大學等全世界眾多科研單位的科研人員均在為人造的柔性壓敏電子皮膚研究方向努力。但電子皮膚仍然在集成性、兼容性和更高靈敏性等方面存在許多挑戰。
電子皮膚能夠打通誰的任督二脈？
技術難關終究會有突破的一天，對于任何一項新興技術來說，找到應用場景至關重要。一想到電子皮膚，大家先想到的是能否應用在植皮手術中。電子皮膚移植到人體上，需要考慮皮膚內部和生理功能與結構的問題。如何讓電子皮膚與人體正常皮膚和諧共生，是科學家需要攻克的壁壘。
在醫療領域，讓電子皮膚進行生命特征檢測可謂是“天作之合”。2018年，清華大學微納電子系任天令教授團隊研發出多層石墨烯表皮電子皮膚，該器件具有極高的靈敏度，可直接貼附于皮膚上以探測呼吸、心率、發聲等人體信號，在運動監測、睡眠監測等方面具有重大應用場景。來自美國伊利諾伊大學香檳分校的材料科學家John A. Rogers研發的柔性電子皮膚能夠持續監測顱內壓和溫度，對治療創傷性腦損傷具有重要潛在應用。
電子皮膚的輕薄、靈活的特性在可穿戴設備領域更是可以大展拳腳，日本東京大學研究人員在柔性電子皮膚上創建出穩定的聚合物發光二極管(PLED)等器件，其可發出紅、綠和藍三種顏色的光。它與電子皮膚的集成有望把人的手背變成“數字屏幕”。未來，電子皮膚黏附在身體上，便可用來檢測情緒、睡眠狀況等身體特征。這便意味著，智能手環的地位岌岌可危。
當電子皮膚為機器人帶來觸覺功能的時候，其能夠帶來的影響力也是無窮的。機器人的視覺和觸覺傳感器均具有檢測和識別的功能，兩者互補可以為機器人提供可靠堅固的知覺系統。但觸覺的發展進度遠遠慢于視覺，一部分原因是觸覺傳感器研究難度大，材料和機理的限制讓觸覺傳感器更多停留在實驗室階段。一旦技術難關攻破，“電子皮膚”即觸覺傳感器便會在工業機器人和服務機器人等領域落地。
在工業機器人領域，尤其應用在精密儀器制造領域的工業機器人，如何地抓取東西至關重要。電子皮膚的柔韌性和壓敏特性，可以讓機器人既能夠感知外部環境，又可以靈活地操縱各類事物。2018年11月，美國斯坦福大學的工程師們開發出一種含有傳感器的電子手套，穿戴這種手套的機器人將能夠在拇指和食指之間靈巧地握住一個雞蛋，而不會壓扁它們或者讓它們滑落。
電子皮膚打通了機器人的觸覺，能夠讓服務機器人更有“人情味”。在家庭場景，你的服務機器人會輕輕地將你叫醒，當你工作一天回到家中，他可以早早地將空調調成你認為舒適的溫度。在酒店餐飲領域，被裝上了電子皮膚的服務機器人在給客人端茶送水的時候也能夠提前感知杯子溫度，在遞到客人手里的時候也能夠給與適當提醒，這些細節之處的變化都將會為服務機器人的行為舉止更加具有“人情味”。當然，理想的豐滿總會受到現實骨感的沖擊，電子皮膚在機器人領域的落地依舊有很長的路要走。
科學家對于世界的好奇使得科技進步，每一項技術的突破都會攻克當前遇到的難題。電子皮膚的出現，能夠讓患者免受移植的痛苦，能夠讓殘疾人的義肢也有了對外界的感知，更可以讓機器人變得更靈活、更聰明、甚至有一天真的難以分辨機器人與人類的區別。當我們期待機器人變聰明的時候，是否真的做好準備迎接與機器人共生的世界了呢？
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