借助太陽能電池提升續航的電子皮膚,可應用於人機介面、電動車

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 01 日 0:00 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


「Make human more human.」(讓人類更人性化)

人造皮膚領域「材料大師」、化學家、史丹佛大學化學工程系系主任鮑哲南曾這樣描述她在電子人造皮膚領域的研究初衷。

鮑哲南等科學家的設想中,這種黑科技能協助義肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作,因此有裝義肢的群體得以恢復對外界的真實感知。

(Source:RMIT

其實,除了人工義肢、醫療檢測和診斷等方面的應用前景,電子皮膚還能用於機器人──提升機器人的柔韌性和延展性,甚至讓機器人像人類面對疼痛時有反應。

電子皮膚發展至今,厚度、回應速度等不斷提升,但因是行動電子設備,續航力也是關鍵。英國格拉斯哥大學研究團隊提出一項方案:利用太陽光,提供電子皮膚電力。

2017 年 3 月 22 日,團隊以《 Energy‐Autonomous, Flexible, and Transparent Tactile Skin》(自供能、靈活、透明的觸覺皮膚)論文發表於學術期刊《先進功能材料》

當時研究團隊稱:

相比其他只受電池驅動的材料,這類電子皮膚工作時間將更長,同時又不會像有線電子產品那樣行動受限。

時隔 3 年,英國格拉斯哥大學研究團隊順著利用太陽光的思路,對電子皮膚續航問題有了突破。

時隔 3 年,電子皮膚再獲突破

前不久,英國格拉斯哥大學研究團隊以《Energy Generating Electronic Skin With Intrinsic Tactile Sensing Without Touch Sensors》(無需觸摸感測器、具內在觸覺感測的自供能電子皮膚)論文發表於《IEEE 機器人學彙刊》

僅看論文標題便能得知,團隊設計的電子皮膚未配備觸控感測器,可謂是完全達到「自供能」程度。

而 3 年前,團隊提升電子皮膚續航的做法是添加石墨烯製成的感光發電感測器,論文也顯示,讓光伏模組獲得足夠太陽光的關鍵因素便是應用透明觸控感應層。

基於這種方法,電子皮膚可低能耗化,每平方公分所需能量為 20 毫微瓦,相當於當年最低等級的光伏電池。論文合著者之一、格拉斯哥大學詹姆斯·瓦特工程學院可彎曲電子與感測技術團隊的 Ravinder Dahiya 表示:

我們下一步計劃是深度研究發電技術,支撐整個研究和義肢自主驅動,可能會打造出完全自供電的義肢。

▲ Ravinder Dahiya。(Source:Cent

不難發現,過去 3 年研究團隊先「加法」後「減法」,最終達成電子皮膚自供電。

當電子皮膚遇到太陽能電池

但自供電原理是什麼?

根據論文,大量感測器和讀出電子器件連續運行,想滿足電子皮膚的能耗要求很有挑戰性。因此團隊首次提出無需任何觸控感測器,具內在觸覺感測的自供電電子皮膚(簡稱 eSkin)。

eSkin 包括微型太陽能電池的分佈式陣列和軟彈性襯底上的紅外發光二極管(IRLEDs)。據了解,這些太陽能電池不僅能自己發電,還能產生一些額外能量,並能提供觸控和近距離感應的觸覺功能。透過讀取太陽能電池和發光二極管的能量輸出變化,eSkin 可感測距離、物體位置等多項參數。

具體原理是:暴露在光源下,太陽能電池將產生能量;如果電池(或 eSkin)被附近物體擋住光線,當電池與物體接觸,光的強度(即產生的能量)就會下降至零,故 eSkin 能確認是否觸碰。

這種情況下,eSkin 收到的光線強度和 eSkin 與物體的距離強有相關。如 Ravinder Dahiya所說:

透過即時比較光線強度再校準,就可確定 eSkin 和物體的距離。

為驗證這思考是否可行,研究團隊將 eSkin 附著於 3D 列印的機器手上,記錄與環境的互動。下圖最下方展示覆有 eSkin 機器手的 3 個子系統,從下至上依序是能量管理、感測、驅動。

(Source:IEEE Xplore,下同)

研究團隊發現,僅手掌區域就能產生 383.6mW 能量。他們設想,如果將 eSkin 覆蓋整個身體(約 1.5 平方公尺),eSkin 就能產生超過 100W 的能量。

如下圖所示,eSkin 能定位、邊緣檢測和三維形狀評估接近的不同物體。

不僅如此,他們還將 eSkin 用於工業機器手臂,發現可安全做到人機互動。對這項突破,Ravinder Dahiya 表示,本質上,他們把如何供電給大面積電子皮膚的難題變成機會──將電子皮膚轉化成產生能量的資源。

鑑於 eSkin 的材料整合感測能力,除了機器人領域,研究團隊還設想 eSkin 未來的大量潛在應用:

  1. 義肢方面,eSkin 比其他電子皮膚更輕便,有助於製造重量、尺寸更佳的義肢,方便身障者。
  2. 人機介面方面,eSkin 可有效減少常見的時間延遲問題。
  3. 自動化方面,特別是電動和互動式車輛領域,包覆 eSkin 的汽車有良好的近距離感測能力,也能輕鬆「看到」正接近的障礙物或行人。
  4. 遊戲方面,eSkin 還能用於手勢辨識控制。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:影片截圖)

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