據(jù)麥姆斯咨詢介紹,，開(kāi)發(fā)與人手媲美的的機(jī)器手所面臨的多方面挑戰(zhàn)仍然是需要大量研究的課題,。毋庸置疑，研究人員在復(fù)制人手諸多功能和特征,，如某項(xiàng)或幾項(xiàng)性能（抓取和操縱等）已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,。然而,，人手是多功能的結(jié)合，如骨骼結(jié)構(gòu),、肌肉力量,、完全控制的關(guān)節(jié)、壓力/剪切力/運(yùn)動(dòng)/加速度/溫度感知,，等等,，并在很寬泛的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)擁有這些屬性。

　　斯坦福大學(xué)（Stanford University）研究人員正在展開(kāi)的工作展示了在嘗試提供與人體皮膚相同感知能力所面臨的挑戰(zhàn)和進(jìn)步,。由化學(xué)工程師鮑哲南（Zhenan Bao）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)目標(biāo)是在手套的指尖嵌入“連續(xù)”傳感器,。傳感器能夠同時(shí)測(cè)量力的強(qiáng)度和方向，兩個(gè)反饋因子對(duì)實(shí)現(xiàn)完全控制的靈活性至關(guān)重要,，這是不需要經(jīng)過(guò)有意識(shí)思考的人手所提供的壯舉,。

　　在觀察這款手套之前，應(yīng)該先了解皮膚結(jié)構(gòu),，它不僅僅是一個(gè)靈活,、充滿神經(jīng)的保護(hù)層。外皮層布滿傳感器以檢測(cè)壓力,、熱量和其他刺激物,；當(dāng)然，手指和手掌上都是密集的觸摸傳感器,。但是這可謂只是表層,。表層之下是被稱為棘層的皮膚內(nèi)層，看起來(lái)像丘陵和山谷的凹凸不平的微觀地帶,。這些突起（bump）是傳感“機(jī)制”的重要組成部分,。

　　兩層皮膚緊密結(jié)合，以整合感官信號(hào),。當(dāng)手指接觸皮膚表面時(shí),，皮膚外層會(huì)移動(dòng)到更接近底層的棘層。輕微的觸感主要來(lái)自棘層的“山頂”,，當(dāng)施加更大的壓力時(shí),，將外皮層推入棘層的“山谷”，以引發(fā)更強(qiáng)烈的觸感。

　　雖然看起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單,，但是只是其中的一部分,。皮膚的凹凸層能夠感知更多，它揭示了壓力的方向（剪切力）,。當(dāng)手指朝一個(gè)方向按壓時(shí),，在微觀山丘的另一側(cè)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的感知信號(hào)。感知和評(píng)估剪切力大小的能力對(duì)實(shí)現(xiàn)溫和有力的動(dòng)作（例如在拇指和食指之間保持易碎物體）而言至關(guān)重要,。

　　工程上的挑戰(zhàn)是從電學(xué)角度復(fù)制皮膚功能并開(kāi)發(fā)出多層手套,。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)采用了三層布局,，由絕緣橡膠層分隔電活性頂層和底層,。底層也有金字塔結(jié)構(gòu)的小突起，類似于皮膚,；它們共同形成具有密集感測(cè)點(diǎn)陣列的二維網(wǎng)格,。納米電容器的布局包括嵌入聚氨酯（polyurethane, PU）的碳納米管（carbon-nanotube, CNT）頂部和底部電極；它們可以測(cè)量和區(qū)分正向力（垂直于表面）和切向（剪切）力（圖1）,。

　　圖1 電子皮膚的制造和組裝（A）—該裝置由三層組成,，通過(guò)層壓組裝：底部是厚度為1mm，帶有山丘陣列的聚氨酯層（山丘直徑1 mm,，高度20 μm）（i）,；中間是厚度為10 μm的介電層，作為頂部和頂部電極之間的間隔層（ii）,；頂部是厚度為60 μm,，帶有金字塔陣列的聚氨酯層（iii）。電極由噴涂和光刻實(shí)現(xiàn)圖案化的導(dǎo)電碳納米管制成,，嵌入聚氨酯基質(zhì)中（電極寬度300 μm,，兩個(gè)電極之間的間距50 μm）。制作電子皮膚的光學(xué)圖像和山丘,、電極上的特寫視圖（插圖）（B）,。光學(xué)成像顯示了碳納米管-聚氨酯互連用于LCR測(cè)試儀進(jìn)行信號(hào)記錄，以及頂部具有模制金字塔的電子皮膚層SEM圖,，顯示了碳納米管-聚氨酯和聚氨酯區(qū)域（插圖）（C）,。

　　但是這些感測(cè)點(diǎn)并非簡(jiǎn)單的電容器。電子皮膚的頂層包括模制的方形金字塔網(wǎng)格,，當(dāng)施加外力時(shí),，金字塔會(huì)發(fā)生彈性變形。電子皮膚的底部使用二維陣列模制山丘以模仿人體皮膚中的棘層,；這些對(duì)于測(cè)量和區(qū)分施加力的方向是必不可少的,。每個(gè)山丘對(duì)應(yīng)25個(gè)電容器,，每個(gè)電容器大小為90,000 μm2，山頂有1個(gè)電容器,，斜坡有4個(gè)電容器,，四個(gè)角落各有1個(gè)電容器，山丘周圍有16個(gè)電容器（圖2）,。

　　圖2 圍繞山丘的不同電容器（像素）位置示意圖,，其中1個(gè)位于山頂，4個(gè)位于斜坡,，4個(gè)位于角落,，16個(gè)位于山丘周圍,。

　　位于山丘一側(cè)并承受較大壓力的電容器電容增長(zhǎng)幅度大于與施加力方向相反的一側(cè)（分別為正向力,、剪切力和傾斜力）（圖3）。圍繞山丘的電容圖提供了區(qū)分幾種不同類型的施加力的能力,，單獨(dú)的單個(gè)像素則無(wú)法提供上述信息,。

　　圖3 測(cè)量仿生電子皮膚的響應(yīng)特性；以一個(gè)山丘為中心的5 × 5電容器傳感器陣列的特點(diǎn)在于通過(guò)施加正向力（a）,、施加剪切力（b）和施加傾斜力（c）來(lái)測(cè)量壓力響應(yīng)曲線,。每個(gè)色帶對(duì)應(yīng)5%的ΔC/Cmin變化，與沒(méi)有施加和施加過(guò)壓力的電容相一致,。

　　該團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬研究了電子皮膚參數(shù),，以最大限度提高其靈敏度、信噪比（SNR）和時(shí)間響應(yīng)權(quán)衡,。他們使用了多種金字塔尺寸（寬度為10,、20、30,、40,、50 μm）和分隔距離（比例b/a=0.4、0.8,、1.2,、1.6、2和4,，其中a + b是兩個(gè)金字塔中心之間的距離）,。

　　將手套放置在實(shí)體模型柔性手上，將它連到安裝在KUKA IIWA機(jī)器人臂的雄克（Schunk）WSG 50夾具上以提供驅(qū)動(dòng),。算法利用反饋回路中的感測(cè)讀數(shù)來(lái)指導(dǎo)戴手套的機(jī)器手輕柔觸摸漿果或像人手一樣舉起并移動(dòng)一個(gè)乒乓球,。這是通過(guò)使用傳感器來(lái)指示剪切力，并控制戴手套的手以根據(jù)人體功能需求去調(diào)整其動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的（圖4）,。

　　圖4 傳感器足夠靈活,，可以在不壓碎一顆藍(lán)莓的情況下,，讓手指拾起并抓住。

　　人體皮膚的基礎(chǔ)知識(shí),，以及電子皮膚的設(shè)計(jì),、材料、制作和應(yīng)用的全部細(xì)節(jié)都發(fā)表在《Science Robotics》期刊上,，一篇非常易讀且內(nèi)容豐富的論文中,，論文題目為“A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able to detect the direction of applied pressure for robotics”，包括其補(bǔ)充信息,。

　　此項(xiàng)研究工作中的一部分得到了瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（Swiss National Science Foundation）,、歐洲委員會(huì)（the European Commission）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）和斯坦福納米共享設(shè)施（Stanford Nano Shared Facilities）的支持,。