王華濤小組研制電子皮膚讓觸覺更真實

　　如何讓智能機器人更像人類，只給它提供聽覺、視覺，讓它能與人對話，這似乎還遠遠不夠。因為在人類的五感中，除了聽覺和視覺，還包括觸覺、味覺、嗅覺。機器人不需要吃飯，那么味覺和嗅覺似乎就不那么重要了，但觸覺作為最重要的定位手段，則是機器人應該具備的。

電子皮膚 王華濤課題組供圖

　　于是，科學家希望在機器人身上也“套”上一層皮膚，讓它們從中獲取“觸覺”信息，可以與人一樣敏感獲知環境信息，并作出相應反應。

　　在眾多材料中，柔性材料是最接近人體皮膚的一種，但如何將柔性材料與幫助感知外界的導電材料更好地結合在一起，這一直是個難題。哈爾濱工業大學威海校區材料科學與工程學院副教授王華濤課題組就一直從事這項研究。

　　近日，該課題組研究人員宣布，經過一系列封裝工藝，把石墨納米片加入到彈性高分子體系里，形成一種高柔性、高靈敏度的“電子皮膚”。而且，這種“電子皮膚”已具備工業化大量生產的條件。其相關成果已發表在國際著名期刊《美國化學學會—應用材料與界面》上。

　　保證電子均勻平鋪在柔性材料中

　　“電子皮膚是將高柔性與高導電性材料結合在一起，成為復合材料，才能成為有‘觸覺’的電子皮膚。”王華濤在接受《中國科學報》記者采訪時表示。在材料學中，具備柔性特點的高分子材料很多，包括橡膠、硅膠等；同樣具備導電的材料也很多，比如各種金屬材料、石墨、半導體等。

　　“但既導電又具有柔性的材料卻寥寥可數，關鍵點在于這些導電材料在柔性材料里無法均勻分散，使得導電性和柔性無法兼得。”王華濤課題組通過多年的不斷積累，現在已經掌握了將石墨烯、石墨納米片等導電材料均勻分散到柔性高分子體系里的技術，因此獲得了既有高柔性又高導電的復合材料，正是基于這種高柔性、高導電的復合材料，才進一步拓展到電子皮膚這個研究領域上。

　　說起來容易，做起來難。“將石墨納米片加到高分子體系里的做法由來已久，大多數研究點在于弄清楚石墨納米片對高分子的改性機理研究，而受限于填料難于均勻分散的問題，所以在柔性導電材料上的研究匱乏。”王華濤解釋說，分散技術其實是基于材料的表面改性技術，他的團隊通過不斷地摸索、實驗，確定了表面改性劑的種類和比例，使得石墨納米片可以在高分子體系里均勻分散。

　　新技術助力量產

　　突破了第一道難題，如何量產又成為了研究人員的下一個難題。“實現量產的關鍵在于對于電子皮膚成膜工藝的研究。”王華濤介紹道。在成膜時，其技術的難點在于高石墨納米片固含量的成膜，以及厚度的控制。

　　多年來，王華濤課題組通過對成膜材料的比例、厚度、水分、黏度、干燥溫度、干燥時間、濕度等因素的控制和摸索，找到了最佳的工藝參數，實現了多種材料的成膜技術，如柔性發熱膜、電驅動柔性膜以及現在的電子皮膚。

　　經過多次實驗，研究人員研發的電子皮膚厚度僅為40微米，接近一根頭發絲粗細。這種新型柔性電子皮膚在不同的應力應變條件下均有良好的響應。

　　解決了成膜工藝后，王華濤課題組又著手開始進行石墨烯制備工藝的改良。石墨烯具有優異的力、熱、電等特殊性能。但傳統的石墨烯制備方法例如化學氣相沉積法（CVD）、物理剝離法和氧化還原法等，這些工藝較為復雜且制備成本較高。

　　“我們課題組以石墨為原料，通過表面改性劑輔助下的物理方法，獲得成本較低的石墨納米片。而且，這種石墨納米片與石墨烯的性能非常接近，可以工業化制備和供給。”王華濤介紹說。

　　以柔克剛

　　電子皮膚實現量產，或許能夠有效推動電子皮膚的下游應用，如柔性壓力傳感、聲音識別、VR技術等應用領域。

　　以可穿戴設備舉例，電子皮膚的量產，可以扭轉人們對于可穿戴智能設備的印象，讓它們不再像頭盔般堅硬，而是像衣服般柔軟。甚至可以將體積一再縮小，成為人類皮膚上的“電子文身”。

　　王華濤預測，未來，人們可以通過掃描柔軟芯片貼在皮膚上的“電子文身”，獲取資訊信息甚至完成支付行為。也就是說，這款文身甚至可以代替你的錢包，以及代替手機的無線支付功能。而且，這種“以柔克剛”的方式，將為假肢制造、機器人設計等領域搭起了橋梁。