青年學者賴盈至在過去 6 年，先后以訪問研究生的身份進入斯坦福大學、佐治亞理工學院，分別師承了美國佐治亞理工學院教授、中國科學院外籍院士王中林及斯坦福大學化學工程學院院長鮑哲南，在兩位科學家的指導下跨入柔性電子與摩擦納米發(fā)電機（TENG，triboelectric nanogenerator）的研究領域。并將兩位材料領域?qū)W者的研究領域進行了更深度的融合創(chuàng)新，進而開發(fā)出全球第一個具有自驅(qū)動（self powered）、主動感知的軟機器人（soft robot）。

多年來在人造皮膚領域帶領開創(chuàng)性研究的鮑哲南教授在有次采訪中提到，如果以人的皮膚作為一個啟發(fā)點出發(fā)，或許就能夠開創(chuàng)出更高的創(chuàng)造力，而不是局限于現(xiàn)有電子器件的功能去思考，會從生物模擬的方式思考不同的可能性，進而產(chǎn)生一些平常想不到的做法。而賴盈至在接受 DeepTech 采訪時也特別提到，“兩位老師幫助我打開了傳統(tǒng)的思維?！?/p>

基于上述“如果打破傳統(tǒng)的框架，就有很多機會冒出來”的理念，以及在王中林院士的帶領下，賴盈至等人利用摩擦納米發(fā)電機，開發(fā)出全球第一個自驅(qū)動，且可主動式感知、響應外部刺激和內(nèi)部運動的軟機器人皮膚，實現(xiàn)自發(fā)電，不用電池就可感測觸摸、壓力、濕度，讓軟機器人的能力和應用范圍，又往前邁了一步。

該研究成果《Actively Perceiving and Responsive Soft Robots Enabled by Self-Powered, Highly Extensible, and Highly Sensitive Triboelectric Proximity- and Pressure-Sensing Skins》先前已經(jīng)發(fā)表在國際期刊 Advanced Materials 上。

此次，DeepTech 專訪了這位青年科學家、“***中興大學”材料科學與工程學系助理教授賴盈至，探討自驅(qū)動電子皮膚的優(yōu)勢，以及后續(xù)可持續(xù)改善的方向。

圖｜美國佐治亞理工學院教授、中國科學院外籍院士王中林在 EmTech 大會擔任演講嘉賓（來源：DeepTech）

圖｜由摩擦皮膚和氣動致動器（pneumatic actuator）組成的四層結(jié)構（來源：中興大學）

軟機器人的挑戰(zhàn)：大驅(qū)動電壓、高功耗

人類通過攝像頭、傳聲器賦予了機器人視覺、聽覺，近年隨著機器學習相關算法的躍進，這兩大領域已經(jīng)有很大的進展及市場應用，機器人“觸覺”則是許多科學家也想攻克的領域。在生物體中，皮膚是最大的器官，不僅具表面保護作用，還有優(yōu)異的機械屬性，如柔韌性、伸展性和順應性，可以主動感知環(huán)境信息，包括觸覺、壓力、濕度等。全球許多研究團隊投入開發(fā)類似皮膚的感官設備—電子皮膚，讓機器能夠更自然感受人和環(huán)境，并與其互動。

提到軟機器人，大家最耳熟能詳?shù)睦幽^于迪斯尼動畫里的“大白”，與剛性材料相比，由柔順和可伸展材料制成的軟機器人可提供更安全的應用，同時可變形的體態(tài)和類似肌肉的動作也較能適應不可預測的環(huán)境，運動的自由性相對較大，如果軟機器人又具有了觸覺，便進一步擴大了應用范圍。

不過，要開發(fā)能夠在軟機器人上工作的類皮膚傳感器（skin-like sensor）難度很高，包括材質(zhì)的拉伸性、靈敏度，以及需要大的驅(qū)動電壓，一般來說，柔性無源傳感器，如電阻／電容／光學類型，需要連續(xù)預先設置大型驅(qū)動電壓，通常為 1～10 V 或是由光信號驅(qū)動它們運行。

此外，傳統(tǒng)傳感器是通過電力進行驅(qū)動，機器人的體積通常不小，如果要在機器人身上大面積覆蓋電子皮膚，每個傳感器驅(qū)動電壓，就會導致功率耗散高，再加上，現(xiàn)有的電子元件不適用于彎彎曲曲、體態(tài)變動的構造之上，因此，開發(fā)用于軟機器人的關鍵感應裝置，就必須找到其他技術來規(guī)避傳統(tǒng)傳感器的限制，摩擦發(fā)電就成了一帖解藥。

摩擦起電效應（triboelectric effect）為一種自然現(xiàn)象，利用材料不同的電負性，當材料在與另一種材料接觸后，變?yōu)閹щ姷模陔娊橘|(zhì)表面上的摩擦電荷，通過驅(qū)動自由電子在外部電路的流動，進而產(chǎn)生電勢（electric potential）。與無源傳感器相比，摩擦皮膚的驅(qū)動能量來自摩擦起電效應，涉及接觸電氣化和靜電感應的協(xié)作。

賴盈至表示，摩擦發(fā)電有兩種應用方法，一種是發(fā)電源來自機械力，象是用手觸摸、用手施加壓力；另一種則是自然源，利用風、雨產(chǎn)生能量。

應用在電子皮膚上，當你觸摸它時，會產(chǎn)生一個電力信號，但除了用作發(fā)電之外，他們研究的創(chuàng)新之處，在于將電力信號變?yōu)橐粋€信號源，摩擦納米發(fā)電機就變成了傳感器，這個可自供電的摩擦皮膚（tribo-skin）能夠感知外部刺激，象是碰觸和壓力，又具備很好的拉伸性，就算被剪破也能正常運作，同時實現(xiàn)了機器皮膚和軟機器人于一身。

圖｜軟機器人可以觸診，量測脈搏，模仿中醫(yī)把脈（來源：中興大學）

自供電傳感器三大優(yōu)點

摩擦發(fā)電傳感器跟傳統(tǒng)傳感器有什么不同？賴盈至舉例，智能手機要有觸控功能，必須先提供觸控面板模組電力，用戶觸摸后，原本的電力信號就會改變，系統(tǒng)就會知道有人觸摸了它，但是使用 TENG 技術的傳感器不需要事先提供電力，它自已會產(chǎn)生電力信號，也就是，一個可自供電的傳感器。

試想一下，若要賦予機器人觸覺，必須在全身或四肢鋪滿傳感器，會使機器人更加耗電，因此，摩擦發(fā)電傳感器的第一個優(yōu)點是解決了供電問題。

另一個好處在于材料選擇及形體運用靈活，TENG 傳感器可以使用多種材料來制作，包括橡膠、硅膠、高分子、薄膜等，可以依照材料的特性做出可彎曲、可伸縮的型態(tài)，材料不受限，可應用性就寬廣很多。

第三個優(yōu)勢在于成本，賴盈至指出，TENG 傳感器不需使用半導體制程如熱蒸鍍金屬，而是采用低溫制程，成本會比傳統(tǒng)的傳感器便宜許多。

圖｜王中林（右）與賴盈至（左）（來源：賴盈至提供）

電子皮膚被剪破仍正常運作，觸診、摸尿布、爬行機器人都可行

根據(jù)發(fā)表在 Advanced Materials 上的論文，他們開發(fā)的摩擦皮膚將導電基質(zhì)夾在彈性體（elastomers）之間，均勻鋪覆在三角微棱鏡（triangular-microprism）壓感結(jié)構上，有很好的拉伸性（100% 拉伸應變性能），靈敏度也很高，低壓敏感度為 0.29 kPa-1（9.54 V kPa-1，<5 kPa），并且最高檢測限可達至 63 Pa。

具有最高電子親和力的橡膠是很好的摩擦電負性材料。當物體與摩擦皮膚接觸時，由于電負性的差異，電子從物體表面移動到橡膠表面。當物體離開時，兩個帶相反電荷的表面分離，產(chǎn)生電位差。橡膠表面上的未屏蔽負電荷驅(qū)動自由電子從嵌入的銀片流到地面，并引起電極中正電荷的累積，從而產(chǎn)生電流和電壓輸出。

圖｜僅管電子皮膚被剪破，還是可以正常運作（來源：中興大學）

摩擦皮膚可以整體集成到軟氣動致動器（pneumatic actuator）中，使軟機器人能夠執(zhí)行各種主動感知和響應任務，像是機器抓手，可以感知物體的移動，例如距離物體多近，也能夠控制舉起、放下、或是抓取的力道，并意識到貨物掉落，可以應用在工業(yè)機器人中的監(jiān)視和反饋控制上。

另外，也能應用在機器手指上，感知溫濕度、檢測到細微的人類生理信號，例如他們就設計了一個機器人手指用以檢測嬰兒褲子的水分?；蚴桥c毛蟲類機器人、蛇型機器人結(jié)合，將摩擦皮膚嵌入到機器人的腹部，當機器人在爬行時，就可感知其肌肉運動，可以執(zhí)行特殊任務。

圖：摩擦皮膚可以辨別接觸物體的濕度，他們以觸碰嬰兒尿布作為示范（來源：中興大學）

該軟機器人可直接驅(qū)動光電元件，通過點亮 LED 燈做出反應，也可以進一步做成用聲音、光線、短語等方式來應答人類，讓人類與機器人之間的交互更直觀。

圖｜可以驅(qū)動光電器件，進行人機交互（來源：中興大學）

摩擦納米發(fā)電機又一新研究：能量收集雨衣

除了上述的軟機器人研究，不久前國際期刊 Advanced Science 刊載一篇文章《Waterproof-Fabric-Based Multifunctional Triboelectric Nanogenerator for Universally Harvesting Energy from Raindrops, Wind, and Human Motions and as Self-Powered Sensors》，闡述了磨擦納米發(fā)電機技術除了通過機械運動（如身體運動），也能利用自然源（如雨、風）和來擷取動能的織物。

該研究同樣是在王中林院士帶領下，賴盈至等人示范了結(jié)合摩擦納米發(fā)電機的智能布料，將其做成雨衣、雨傘、旗幟、衣物等，就可以擷取大自然風、雨，以及人體運動的能量。這樣的技術可應用在物聯(lián)網(wǎng)，尤其是偏遠地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)應用，“最好的方式讓設備可以自給自足，不需替換它的電池”。

圖｜可收集風、雨能量的織物（來源：advancedsciencenews.com）

軟機器人應用潛力看好，但仍有改善之處

賴盈至在 2013～2014 年以訪問研究生的身份進入斯坦福大學化學工程系，在鮑哲南院士麾下學習納米碳管、軟性電子與電子皮膚，博士畢業(yè)之后，他看到王中林院士開發(fā)的摩擦納米發(fā)電機技術是人類科技新時代的能源技術，心想如果能將兩個技術結(jié)合可望克服軟性電子與電子皮膚面臨的挑戰(zhàn)，因此他在博士畢業(yè)進入佐治亞理工學院材料系向王中林院士學習。

圖｜斯坦福大學化學工程系院長鮑哲南（右）與賴盈至（左）（來源：賴盈至提供）

“兩位老師幫助我打開了傳統(tǒng)的思維，”賴盈至說，“我們以前不會想到如果它可以發(fā)電，就可以拿來當傳感器，有了這項技術，人類的電子與能源技術向前了一大步。如果你打破傳統(tǒng)的框架，就有很多機會冒出來，這是我從兩位老師身上學到的?！毖哉勚校囉亮髀冻鰧晌焕蠋熤笇c帶領的感謝，珍惜與兩位院士的情誼。

在兩位著名學者的啟蒙下，現(xiàn)在擔任教職的他也與團隊致力利用新穎材料與新物理機制，開發(fā)納米發(fā)電機、電子皮膚、軟性電子元件、軟性機械，賴盈至認為，主動感知、響應的軟機器人可應用性很大，能察覺東西掉落，也可以控制力道，用以夾取一些容易損傷的東西，象是雞蛋、水果，另外就是與人工智能相關算法結(jié)合，創(chuàng)造更多的應用。

不過，他也直言，該技術仍有持續(xù)改善的空間，比如目前他們開發(fā)的觸診軟機器人，可以量人體脈搏、量環(huán)境溫度，例如辨識冰水或熱水，但用在量人體體溫還不行，因為人體體溫變化細微，還無法辨別很細微的差異。

另外，還有一個不足的地方，就是軟機器人的操作系統(tǒng)是剛性的，“目前傳感器是軟的，機械本身也是軟的，但是，操作系統(tǒng)依舊是硬的，如電路板、傳輸信號的電路、處理器等都是硬的”，但要讓這些元件變?nèi)嵝?，挑?zhàn)相當大，“這不是兩三年就可以解決的問題，是很長期的目標”，不過賴盈至與團隊已經(jīng)投入研究，“希望有一天軟機器人全部都是采用柔性的元件，達到極致。”