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  電子皮膚，又名新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器。它像皮膚一樣既軟又薄，是貼在“皮膚”上的電子設(shè)備，因而習(xí)慣性的被稱為電子皮膚，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可被加工成各種形狀，像衣服一樣附著在人體皮膚或者是機(jī)器人的身體表面，使其具備感覺和觸覺，即與人體皮膚一樣感知不同外界壓力的功能。

  可以感知外界的機(jī)器人一般出現(xiàn)在科幻電影中，而如今科技的進(jìn)步，使得我們完全可以賦予機(jī)器人可感知外界的電子皮膚。電影中的機(jī)器人能夠通過(guò)手上的電子皮膚感知外界世界，甚至能夠感受到微弱的如昆蟲力一般的外部壓力，從而獲得和人類一樣的觸覺，如下圖演示。該動(dòng)態(tài)圖展現(xiàn)了電影中對(duì)機(jī)器人手部皮膚的一種憧憬，這種皮膚具有柔軟并且能敏感的感知外部微弱壓力的特質(zhì)，使得機(jī)器人能夠準(zhǔn)確的抓取小昆蟲。

  2.電子皮膚的技術(shù)構(gòu)成

  電子皮膚在技術(shù)構(gòu)成上主要涉及材料、結(jié)構(gòu)兩部分，如下圖所示，敏感材料以不同的結(jié)構(gòu)摻雜被于柔性基底材料中，進(jìn)而形成電子皮膚。
  對(duì)電子皮膚所涉及到的材料按照應(yīng)用類型進(jìn)行分解，分為敏感材料和基底材料兩大類。其中敏感材料用于感知外界信號(hào)，敏感材料按照檢測(cè)原理又可以進(jìn)一步劃分為光學(xué)填充材料和導(dǎo)電填充材料，基底材料按照材料性能又可以進(jìn)一步劃分為貼附型基底材料和器件基底材料，而器件基底材料按照材料分子的組成又進(jìn)一步分為普通材料和高分子材料。

  對(duì)電子皮膚的結(jié)構(gòu)按照其基本構(gòu)造進(jìn)行分解劃分為層狀結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)、陣列以及螺旋結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，按照層級(jí)的多少，可以將層狀結(jié)構(gòu)分為多層結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)，而多層結(jié)構(gòu)中則包含僅有三層的三明治結(jié)構(gòu)以及其他的多層片狀結(jié)構(gòu)。

  電子皮膚技術(shù)構(gòu)成分解圖
  3.電子皮膚的廣泛引用

  下圖展示了現(xiàn)有技術(shù)中存在的電子皮膚，其既能夠像薄如蟬翼的薄膜一樣貼附在人體皮膚表面，也能夠附著于可彎曲的基底材料上實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)檢測(cè)。
  應(yīng)用于智能衣服：將電子皮膚貼付于衣服表面或是編織于衣服中實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的檢測(cè)給傳統(tǒng)衣服添加了智能的功能。穿著智能服裝能夠采集多種身體信號(hào)以及外部環(huán)境信號(hào)。通過(guò)客觀準(zhǔn)確的身體信號(hào)解析身體的生理語(yǔ)言，結(jié)合實(shí)時(shí)的環(huán)境信息給出如健康、運(yùn)動(dòng)、是否便于出行等生活需要的參數(shù)建議，使得人們的生活更加科學(xué)、更為便捷。
  應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)鞋墊和矯正護(hù)膝：運(yùn)動(dòng)鞋墊和矯正護(hù)膝是當(dāng)今比較前沿的概念性可穿戴產(chǎn)品，通過(guò)敏感的電子皮膚感測(cè)足底和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而給以科學(xué)運(yùn)動(dòng)的建議。

  傳統(tǒng)的矯正類護(hù)具通常由醫(yī)生幫助患者固定，定期觀測(cè)調(diào)整位置和形狀。采用電子皮膚的矯正類護(hù)具能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)人體敏感部位的參數(shù)，通過(guò)相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)幫助更為客觀的矯正，起到更好的矯正效果。對(duì)于矯正類護(hù)具用到的電子皮膚，由于其通常直接接觸人體需矯正處，需要提供更為舒適的檢測(cè)環(huán)境。

  應(yīng)用于機(jī)器人手臂、手指皮膚：機(jī)器人手臂皮膚用于感知外界的細(xì)微敏感壓力，從而傳遞觸摸等微小力的感知，對(duì)于精準(zhǔn)度的要求極高。
  機(jī)器人手指皮膚，顧名思義是手指部位的敏感皮膚。由于其感知部位的特殊性——用于感知多個(gè)方向的抓取力量，因而對(duì)于多維力的感測(cè)要求是極高的，以便于靈活準(zhǔn)確的抓取物件。

  4.電子皮膚技術(shù)的生命周期

  電子皮膚技術(shù)的技術(shù)生命周期可以化分為4個(gè)階段。

  （1）萌芽期（1980-1989年）：這一時(shí)期，專利起源于美國(guó)、日本、德國(guó)等材料技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家，材料技術(shù)的領(lǐng)先直接帶動(dòng)了電子皮膚的發(fā)展。但全球范圍內(nèi)申請(qǐng)人和專利申請(qǐng)量都處于個(gè)位數(shù)的量級(jí)。專利申請(qǐng)?zhí)幱诜稚⑹降某跆矫麟A段。

  （2）第一發(fā)展期（1990-2006年）：在1990年前后，專利申請(qǐng)數(shù)量迅速井噴，但是申請(qǐng)人數(shù)量增長(zhǎng)緩慢。雖然這一時(shí)期的技術(shù)處于瓶頸期，沒有新的突破，但是這一時(shí)期各大領(lǐng)跑申請(qǐng)人開始重視專利布局，紛紛就同一主題的發(fā)明創(chuàng)造向多個(gè)聯(lián)盟國(guó)遞交專利申請(qǐng)，為日后的市場(chǎng)鏈打下基礎(chǔ)。

  （3）調(diào)整期（2006-2011年）: 2007年至2011年期間申請(qǐng)人數(shù)量和專利申請(qǐng)數(shù)量處于盤旋式發(fā)展階段。其中，在2007年和2008年，由于智能概念的新定義以及智能設(shè)備的普及化，人們對(duì)可穿戴設(shè)備以及智能機(jī)器人有了更高的需求，智能服裝以及智能機(jī)器人市場(chǎng)的背后漸漸浮現(xiàn)出商機(jī)。盡管在該期間專利的申請(qǐng)量有所下降，但是研發(fā)的腳步并沒有停留，各個(gè)公司企業(yè)厚積薄發(fā)，紛紛在2010年提出自己的發(fā)明創(chuàng)造，因此在2010年申請(qǐng)人和申請(qǐng)量達(dá)到了最高峰值。隨后，市場(chǎng)化的瓶頸限制了申請(qǐng)人和申請(qǐng)量的進(jìn)一步突破。

  (4) 第二發(fā)展期（2011年以后）：2011年至今，申請(qǐng)人的數(shù)量和申請(qǐng)量都是直線上升，電子皮膚迎來(lái)了再一次的迅猛發(fā)展，達(dá)到井噴狀態(tài)，也說(shuō)明電子皮膚技術(shù)克服了瓶頸，開始有所突破。隨著碳納米管、石墨烯等能夠用于電子皮膚的新材料不斷涌現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)都將研發(fā)重點(diǎn)重新放在了電子皮膚上。并且，在該時(shí)期，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都出現(xiàn)了一些個(gè)人申請(qǐng)，由于電子皮膚領(lǐng)域是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，一些電子發(fā)燒友會(huì)對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生濃厚的興趣，投入到研發(fā)行列。


  5.電子皮膚領(lǐng)域的專利戰(zhàn)爭(zhēng)，硝煙待起

  電子皮膚領(lǐng)域的申請(qǐng)人排名情況。在電子皮膚領(lǐng)域，申請(qǐng)人數(shù)量較多，但每個(gè)申請(qǐng)人的申請(qǐng)量并不多，呈現(xiàn)出申請(qǐng)人較分散的情況。這一現(xiàn)狀與電子皮膚領(lǐng)域的強(qiáng)烈關(guān)注度形成鮮明對(duì)比，大量申請(qǐng)人涌入這一領(lǐng)域但卻沒有形成有效的專利壟斷。下圖展現(xiàn)了分散的申請(qǐng)人排名以及涉及的專利情況。


  6.電子皮膚最新報(bào)道——海綿狀觸覺傳感器模擬人類皮膚

  2016年4月25日麥姆斯咨詢報(bào)道，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員，在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)雜志上發(fā)表了一篇文章，題為《一種應(yīng)用石墨烯海綿狀導(dǎo)電復(fù)合材料的觸覺傳感器》，介紹了一款能夠感知壓力和振動(dòng)的柔性觸覺傳感器。該柔性觸覺傳感器制作成本低廉，制作方法為：將一塊聚亞胺酯海綿在石墨烯納米薄片懸浮液中進(jìn)行表面浸涂，然后用兩片表面沉積薄膜電極的聚奈酯（PEN）保護(hù)膜夾覆，形成三明治結(jié)構(gòu)，由此制得該柔性觸覺傳感器。

  下圖為掃描電子顯微鏡成像圖，圖（a）為未浸涂的聚亞胺酯海綿骨架，圖（b）為石墨烯浸涂聚亞胺酯海綿復(fù)合材料。
  當(dāng)導(dǎo)電石墨烯“海綿”受力壓縮時(shí)，石墨烯薄片之間的距離縮短，壓阻傳感器電導(dǎo)率隨之漸進(jìn)變化。該傳感器的尺寸為15 x 15 x 15mm，垂直方向壓力感測(cè)的可靠范圍為幾個(gè)帕斯卡（相當(dāng)于重量為0.11g的物體放在表面時(shí)的壓力）到20kPa（和人類皮膚壓力感知范圍100~100000Pa相近）。該柔性傳感器也進(jìn)行了頻率測(cè)試，在頻率達(dá)到50Hz時(shí)信噪比超過(guò)20dB，與人類對(duì)紋理信息的振動(dòng)敏感性（最高400Hz）大致相當(dāng)。另外，對(duì)傳感器探測(cè)物體表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)傳感器表面應(yīng)用了聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)（一個(gè)80 x 200μm的凸?fàn)钗镒鳛橐粋�(gè)探針），精確的模仿人類皮膚表面的褶皺，估算該傳感器對(duì)局部施加壓力的空間分辨率為80μm。

  研究人員表示：該石墨烯海綿狀傳感器打破了分立式加速度計(jì)和壓力傳感器的內(nèi)在限制，突破性的將多種傳感器集成在一個(gè)結(jié)構(gòu)元件中，在機(jī)器人和義肢領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

  7.總結(jié)

  從電子皮膚技術(shù)的生命周期來(lái)看，電子皮膚的專利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)量均呈現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，各種概念產(chǎn)品層出不窮，不斷有新的電子皮膚產(chǎn)品報(bào)道面世，預(yù)示著產(chǎn)品市場(chǎng)的廣闊前景。從專利申請(qǐng)人分布來(lái)看，仍呈現(xiàn)分布比較松散的狀態(tài)，目前并沒有規(guī)模化的龍頭企業(yè)，也沒有形成有效的專利壁壘�？梢�，該項(xiàng)技術(shù)上整體處于起步階段，其廣闊的市場(chǎng)前景已引起了業(yè)界廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所應(yīng)提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)。

  技術(shù)創(chuàng)新方面，電子皮膚的新技術(shù)主要集中在新材料的選擇和新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新上。產(chǎn)品創(chuàng)新方面，則主要體現(xiàn)在機(jī)器人領(lǐng)域、可穿戴設(shè)備領(lǐng)域以及醫(yī)療檢測(cè)產(chǎn)品上。對(duì)于該新興技術(shù)，如何將其應(yīng)用于上述領(lǐng)域的產(chǎn)品，研究其材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)成進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柔性檢測(cè)的準(zhǔn)確性，是值得研究人員深入考慮的事情。

  本文作者：專利審查協(xié)作北京中心光電部 劉婉姬