发布日期：2024-12-22 22:51 点击次数：138
触觉，是人类所拥有的一项重要感受。当我们用双手触碰岩石，会感受到粗糙、坚硬；抚摸丝绸，会感受到丝滑、柔软；潜入海洋，身体会感受到海水的凉爽；置身雨林，又能体会到热带的潮湿与炎热……我们对世界的感知，很大一部分来源于触觉，而实现触觉的重要媒介，便是人体最大的器官——皮肤。
但如今，皮肤已不再是生命体的专属。在南方科技大学材料科学与工程系教授郭传飞所带领的团队的努力下，机器人也拥有了“电子皮肤”，能够通过对压力的感知，实现许多以前的机器人无法实现的操作。2024年10月，2023年度广东省科学技术奖结果揭晓，由郭传飞带领的“高性能电子皮肤及其与人体的融合研究”项目获得了自然科学奖一等奖的荣誉，而这已经不是“电子皮肤”第一次在学界崭露头角。
七年前，郭传飞开始了对电子皮肤的研究，如今已陆续在Nature Materials、Science Advances、Nature Communications等学术期刊上发表论文160多篇，申请发明专利50余件。未来，他将继续深化对电子皮肤各项性能的研究，拓展其应用，用柔软的材料，做“过硬”的技术。
电子皮肤：兼具高精度
与大量程的柔性传感器
“所谓电子皮肤，其实是一类柔性传感器，具有类似人体皮肤一样柔性、轻薄的形态，能够和周围环境进行交互。”郭传飞向记者介绍。
走进郭传飞团队位于南方科技大学的实验室，一进门的桌子上就放置着一系列大小不同、形态各异的“电子皮肤”成品。黄铜色的传感器件或是排列成矩形，或是模拟人体神经的纹路，紧密贴合在机械臂、机器人灵巧手之上，如同机器人外显的骨骼。郭传飞教授团队所研发的，就是组成这些阵列的传感器件。
据介绍，团队所研发的柔性传感器以离子凝胶为原料，通过电容的变化来感受外界的力、声音、温度等参量的改变，相比其他传感器，拥有高精度、大量程的显著优势。高精度，即传感器能够对差别甚微的材质进行快速、准确的识别；大量程，则是传感器在测量范围方面的特点，既能干“粗活”，又能干“细活”，两种性能相加，便成就了电子皮肤的“高性能”。“对于传统的测量工具，要么量程大，但数据不精准；要么数据精准但量程很小，能做到两者兼具的很少，我们的传感器算是其中一个。”说起自家团队的优势，郭传飞不禁透露出些许自豪。
拥有了触觉，机器人、机械臂或灵巧手等一系列自动化装置便能变得更加灵敏。实验室里，郭传飞用一个木球在电子皮肤上滚动，电子屏幕上便即刻显示出相应的压力感应示意图。“当灵巧手拥有对压力的感知，便可以完成抓取鸡蛋等易碎物品的高难度动作，或分辨不同的布料，机器人因此更加智能。”一位学生在一旁解释到。
不止于机器：与人融合的电子皮肤
除了让机器人拥有触觉，郭传飞另一个重要的研究方向为“人体柔性电子”技术，即电子皮肤与人体的融合。“这是一项充满挑战的技术。”郭传飞表示，“传感器所用的材料无论在力学、电学还是生物学的性能上，与人体都有很大差别。”如此一来，团队便需要通过对材料各方面性能的调控，实现两者的融合。
电子皮肤一旦与人体融合，便可以借助科技手段让失去触觉的人恢复触觉，甚至超越触觉的感知范畴，检测血压、ph值等变量，作为一种用于健康检测的医疗器械而存在——这不免让人联想到假肢的应用，而郭传飞也表示，自己目前的研究方向正是缘起于对“假肢触觉”的研究。“最开始来到深圳，我从事的是触觉传感器的研究，随着研究的深入，我开始思考它的应用场景在哪里？对于我们的社会经济有什么价值？这样自然地催生出了技术与人体的结合。”郭传飞说。
目前，残障人士可以通过肌电信号来实现对假肢的控制，但假肢却不具备触觉的传感功能。郭传飞向记者透露，目前团队正在研究的，就是如何让假肢在拥有触觉的同时，将交互产生的信号传输给大脑。一旦实现了这一功能，假肢便能够为使用者提供更真实的使用感受。
为实现从“拥有触觉”到“感知触觉”的技术跨越，AI是其中必不可少的一步。郭传飞表示，对于柔性传感器，AI一方面承担着类似大脑的认知功能，另一方面为团队的设计工作也减轻了不小负担。
“设计电子皮肤，其中很重要的一个方面就是设计它的材料和结构，”郭传飞向记者解释，“以前我们通常采用试错的方法来做，这可能会花费一年或者更长的时间，最后的结果还不一定是最理想的。但是用AI的话，我们可能在几分钟或几小时之内就得到1000个结果，大大提升了设计效率。”
目前，郭传飞的团队已经广泛使用自研AI模型进行传感器的设计，并于美国科学院院刊发布了相关论文。
让技术从实验室走出去
电影《阿凡达》中，主角杰克通过脑电波控制阿凡达的身体，当阿凡达在潘多拉星球上奔跑、触摸树木、感受水流等时，杰克便能同步感受到这些触觉体验。这类出现在科幻电影中的场景，随着柔性电子传感器技术的发展，或许能够成为现实。郭传飞表示，对电子皮肤的研究，主要拥有三类前景：一是人形机器人的触觉应用，二是可植入或表皮可贴附的健康医疗设备研发，三就是元宇宙的触觉虚拟现实技术。
“事实上，我们在去年已经成立了一家公司，叫做赛感科技（深圳）有限公司，主要从事的就是柔性传感器和电子皮肤的设计与制造服务，以及提供相关解决方案。”郭传飞向记者介绍。目前，赛感科技已经完成了天使轮融资，并积极推动电子皮肤与柔性传感器的产业化。
在郭传飞看来，能够造福社会的技术才是好技术，科学研究最终也要落实到实际应用中。鉴于柔性传感器不同于采用MEMS（微机电系统）技术的传统传感器，在材料和制造工艺上都有着更低的成本，因此柔性传感器也具备了更大的市场化优势。目前，赛感科技已经推出了多个单点传感器与阵列传感器产品，公司的经营也在稳步推进。
那么未来会将工作的重点放在技术研究上，还是产业化上？对于这一问题，郭传飞认为，科学探索和技术落地两者并不矛盾。“基础研究能够催生新的技术，而技术落地过程中又会遇到科学问题。所以两者是相辅相成的关系，不必说把重点放在哪一边，两边最好同时进行。”他说。
做“一鼓作气”的研究者
这种多线任务同时进行的工作习惯也是郭传飞做研究的行事特色。在学生眼中，郭传飞不仅是一个乐于传道授业的教师，还是一个勤奋刻苦、自我要求严格的研究者。几乎每天，学生们都能在实验室看到郭传飞的身影，从上午、下午、晚上到凌晨，四个时间段的“考勤”，他从不缺席。
对此，郭传飞认为，对于科研工作者而言“一鼓作气”可能是更高效的工作方式。“我以前读研究生的时候，有一个习惯就是做任何事情，或者实验，一定要拿到结果才结束，不达目的誓不罢休。有的时候，拿到实验结果可能已经是凌晨三四点，但我可以心安理得在第二天睡一上午，在我看来这样的效率会比朝九晚五的方式要高得多。”
本着这般“一鼓作气”的研究精神，郭传飞从华中科技大学一路读到中科院国家纳米科学中心的博士，随后又前往美国从事了四年半的柔性电极研究工作。2016年，身居大洋彼岸的郭传飞听说了南方科技大学这所年轻的新型研究型大学，再三思索之下他决定回到祖国，来到深圳、来到南科大，并开始了对电子皮肤长久而深入的研究。
“深圳是一座非常开放、包容的城市，南科大则流淌着非常新鲜的血液，这座城市和学校的活力吸引我来到了这里。”郭传飞表示。随着深圳“加快发展新质生产力”的口号稳步推进，郭传飞及他的团队也有了更清晰的研究方向。未来，团队将以电子皮肤技术持续赋能人形机器人产业，助力具身智能，为新质生产力的发展贡献自己的力量。
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