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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。

  可以感知外界的機器人一般出現(xiàn)在科幻電影中，而如今科技的進步，使得我們完全可以賦予機器人可感知外界的電子皮膚。電影中的機器人能夠通過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。該動態(tài)圖展現(xiàn)了電影中對機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)，使得機器人能夠準確的抓取小昆蟲。

  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，進而形成電子皮膚。
  對電子皮膚所涉及到的材料按照應(yīng)用類型進行分解，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，敏感材料按照檢測原理又可以進一步劃分為光學(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一步分為普通材料和高分子材料。

  對電子皮膚的結(jié)構(gòu)按照其基本構(gòu)造進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)。進一步地，按照層級的多少，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現(xiàn)相關(guān)參數(shù)檢測。
  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現(xiàn)生理參數(shù)的檢測給傳統(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以及外部環(huán)境信號。通過客觀準確的身體信號解析身體的生理語言，結(jié)合實時的環(huán)境信息給出如健康、運動、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)用于運動鞋墊和矯正護膝：運動鞋墊和矯正護膝是當今比較前沿的概念性可穿戴產(chǎn)品，通過敏感的電子皮膚感測足底和膝關(guān)節(jié)的運動參數(shù)，從而給以科學(xué)運動的建議。

  傳統(tǒng)的矯正類護具通常由醫(yī)生幫助患者固定，定期觀測調(diào)整位置和形狀。采用電子皮膚的矯正類護具能夠?qū)崟r檢測人體敏感部位的參數(shù)，通過相關(guān)參數(shù)的檢測幫助更為客觀的矯正，起到更好的矯正效果。對于矯正類護具用到的電子皮膚，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環(huán)境。

  應(yīng)用于機器人手臂、手指皮膚：機器人手臂皮膚用于感知外界的細微敏感壓力，從而傳遞觸摸等微小力的感知，對于精準度的要求極高。
  機器人手指皮膚，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——用于感知多個方向的抓取力量，因而對于多維力的感測要求是極高的，以便于靈活準確的抓取物件。

  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個階段。

  （1）萌芽期（1980-1989年）：這一時期，專利起源于美國、日本、德國等材料技術(shù)領(lǐng)先的國家，材料技術(shù)的領(lǐng)先直接帶動了電子皮膚的發(fā)展。但全球范圍內(nèi)申請人和專利申請量都處于個位數(shù)的量級。專利申請?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，專利申請數(shù)量迅速井噴，但是申請人數(shù)量增長緩慢。雖然這一時期的技術(shù)處于瓶頸期，沒有新的突破，但是這一時期各大領(lǐng)跑申請人開始重視專利布局，紛紛就同一主題的發(fā)明創(chuàng)造向多個聯(lián)盟國遞交專利申請，為日后的市場鏈打下基礎(chǔ)。

  （3）調(diào)整期（2006-2011年）: 2007年至2011年期間申請人數(shù)量和專利申請數(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，人們對可穿戴設(shè)備以及智能機器人有了更高的需求，智能服裝以及智能機器人市場的背后漸漸浮現(xiàn)出商機。盡管在該期間專利的申請量有所下降，但是研發(fā)的腳步并沒有停留，各個公司企業(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年申請人和申請量達到了最高峰值。隨后，市場化的瓶頸限制了申請人和申請量的進一步突破。

  (4) 第二發(fā)展期（2011年以后）：2011年至今，申請人的數(shù)量和申請量都是直線上升，電子皮膚迎來了再一次的迅猛發(fā)展，達到井噴狀態(tài)，也說明電子皮膚技術(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)，國內(nèi)外的研究團隊都將研發(fā)重點重新放在了電子皮膚上。并且，在該時期，無論是國內(nèi)還是國外都出現(xiàn)了一些個人申請，由于電子皮膚領(lǐng)域是一個新興產(chǎn)業(yè)，一些電子發(fā)燒友會對該領(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，硝煙待起

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


  6.電子皮膚最新報道——海綿狀觸覺傳感器模擬人類皮膚

  2016年4月25日麥姆斯咨詢報道，韓國漢陽大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員，在英國皇家化學(xué)學(xué)會雜志上發(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。
  當導(dǎo)電石墨烯“海綿”受力壓縮時，石墨烯薄片之間的距離縮短，壓阻傳感器電導(dǎo)率隨之漸進變化。該傳感器的尺寸為15 x 15 x 15mm，垂直方向壓力感測的可靠范圍為幾個帕斯卡（相當于重量為0.11g的物體放在表面時的壓力）到20kPa（和人類皮膚壓力感知范圍100~100000Pa相近）。該柔性傳感器也進行了頻率測試，在頻率達到50Hz時信噪比超過20dB，與人類對紋理信息的振動敏感性（最高400Hz）大致相當。另外，對傳感器探測物體表面粗糙度的實驗中，對傳感器表面應(yīng)用了聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）脊狀結(jié)構(gòu)（一個80 x 200μm的凸狀物作為一個探針），精確的模仿人類皮膚表面的褶皺，估算該傳感器對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結(jié)構(gòu)元件中，在機器人和義肢領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

  7.總結(jié)

  從電子皮膚技術(shù)的生命周期來看，電子皮膚的專利申請量和申請人數(shù)量均呈現(xiàn)出迅速增長的趨勢，各種概念產(chǎn)品層出不窮，不斷有新的電子皮膚產(chǎn)品報道面世，預(yù)示著產(chǎn)品市場的廣闊前景。從專利申請人分布來看，仍呈現(xiàn)分布比較松散的狀態(tài)，目前并沒有規(guī)�；凝堫^企業(yè)，也沒有形成有效的專利壁壘。可見，該項技術(shù)上整體處于起步階段，其廣闊的市場前景已引起了業(yè)界廣泛關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)科研院所應(yīng)提高知識產(chǎn)權(quán)保護意識。

  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)在機器人領(lǐng)域、可穿戴設(shè)備領(lǐng)域以及醫(yī)療檢測產(chǎn)品上。對于該新興技術(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)成進而實現(xiàn)柔性檢測的準確性，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