新水凝膜机器人皮肤将解决软体机器人三大难题

英国剑桥大学仿生机器人实验室的研究人员创造了一种新的基于水凝胶的皮肤，这种极其柔韧的皮肤使用一系列电极和算法让机器人能够检测物体的触觉特性，复制人类的触觉，有望促进软体机器人的开发。

据有关数据显示，2020年全球软体机器人的市场价值为10.49亿美金，预计2026年将达到63亿美金，中国的软体机器人市场将占1/4，未来前景十分广阔。

目前的软体机器人皮肤材质主要采用硅胶，也有部分使用聚氨酯、氟橡胶等材料，身体由多个连通的气囊组成，这些气囊可以通过压缩空气或液体来实现运动，而检测压力、形变和姿态等信息的传感器则通常嵌入在气囊内，来控制机器人的运动和交互。

尽管软体机器人未来市场很可观，但仍需要突破商业化推广的瓶颈，才可以让软体机器人真正打开市场，而目前材料性能、控制性能以及整机造价等问题成了软体机器人发展中的拦路虎。

虽然软体机器人有安全性、可变形性等特点，但仍存在一些不足，首先，软体机器人的弹性材料相对于硬质材料来说，通常具有较低的刚度和精度，可能无法实现高精度的运动和控制；其次，目前使用的硅胶等材料在长期使用过程中容易出现疲劳和老化现象，可能会影响机器人的稳定性和寿命。

而水凝胶皮肤的出现就可以解决目前遇到的困境，水凝胶是一种高分子材料，可模拟人体组织的柔韧性和光透性，与传统的硅胶等材料相比，水凝胶材料具有更好的耐久性和稳定性，不易出现老化和疲劳现象；此外，水凝胶可以更方便地嵌入传感器和电路，使机器人可以拥有和人类类似的触觉，大大提升了机器人的感知能力。

现实生活中很多场景使用软体机器人是刚需，但软体机器人的商业化普及中，最大的阻碍是感知和控制能力不足导致机器人的性能无法达到预期，导致客户不愿意使用机器人去从事一些工作，但有了水凝膜皮肤的出现，这些场景也许能更好地兼容机器人。

比如最常见的医疗行业，软体机器人可用于手术、病房护理、康复治疗等方面，如果手术机器人带可感应力度的柔性水凝膜皮肤，机器人就能更好地适应人体的形态，减少手术创伤；护理机器人的手装上能感知的水凝膜皮肤，可以最大化模拟人上药的效果，甚至比人更精准把控力度，让患者更放心使用护理机器人，才能让护理机器人在该使用场景下普及。

水凝膜皮肤的出现不仅仅可以帮助软体机器人获取物体位置、形态、力和压力等外部环境的信息，让机器人拥有实时感知周围环境的变化的能力，还能帮助机器人提高控制能力，通过皮肤的传感器传递的信息，机器人可以更加精确地控制自身的运动和形态，并通过AI技术学习运动姿态，以完成复杂的操作和任务。

研究人员们使用的水凝膜皮肤可生物降解，并且非常有弹性，将其与电阻抗断层成像硬传感器相结合，传感器使用皮肤边缘的电极来施加电流并测量电压，就可以提供有关皮肤状态的信息，从而推断人造皮肤被触摸的位置以及是否有受损。

据研究人员介绍，他们还测试了新的水凝胶皮肤在损伤检测或定位、监测环境及识别不同的触觉刺激这3个关键现实应用中的潜力，发现其在这3项任务中都表现良好，这表明它可用来增强软体机器人系统的能力，以执行不同的任务。研究团队目前正在努力改善皮肤的形状和大小，以便能感知更复杂的刺激。例如，将皮肤涂抹在机械手上，它不仅能感知皮肤被接触的位置和力度，还能感知机械手每个手指的位置以及手是否受损。 

该水凝膜的制造并不是特别困难，未来批量生产的成本可以得到较好的控制，据介绍，该水凝膜机器人皮肤由明胶、甘油、水、一水柠檬酸、食盐制成，按照1:1.5:2.5:0.2:0.1 wt%的比例在50℃均化后 ，将混合物手动浇注到激光切割的直径180 mm、深度3 mm的圆形聚甲基丙烯酸甲酯模具中，室温下放置两天，以确保与环境湿度达到平衡，便完成了该水凝膜制造。

低成本的材料和易达成的工艺意味着这个技术的推广难度将会大大降低，解决了软体机器人在商业化的应用中的又一个难题。