软、弹、亮瞎眼：《Science》报道新型机器人“皮肤”

凭借柔软的肢体、超有弹性的皮肤、多彩的伪装，章鱼拥有许多科学家和工程师“粉丝”。受到章鱼变形能力和变色能力的启发，康奈尔大学Robert Shepherd博士领导的研究团队设计了一种超弹性 “皮肤”，能够伸展至原来长度的近六倍，并且能发出不同颜色的光（小编：如果觉得下图还不够亮瞎眼，别急着退出，翻到文末，那里有魔性动图等着你）。（Highly stretchable electroluminescent skin for optical signaling and tactile sensing. Science, DOI: 10.1126/science.aac5082）

超弹性“皮肤”。图片来源：Science/AAAS

Shepherd团队发明的人造皮肤包括五层。其核心为硅树脂（silicone）电致发光层，包含有硫化锌（ZnS）磷光体粉末，根据磷光体组分不同通电后会发出不同的颜色。例如，少量铜掺杂会亮蓝光或绿光，锰掺杂则亮黄光。

发黄光的人造皮肤。图片来源: Rob Kurcoba/Cornell University

核心层被夹在两层弹性离子水凝胶之间，这种水凝胶作为电极向核心层供电。弹性离子水凝胶由溶胀于氯化锂水溶液的聚丙烯酰胺制备而成，其中盐提供了导电性，而透明的聚丙烯酰胺则提供了韧性。这种材料最先由哈佛大学的科学家George M. Whitesides和锁志刚（Zhigang Suo）于2013年报道（Science, 341, 984-987）。这个三明治式的结构，又被夹在两层外围硅树脂层之间，形成最终的五层结构。

Shepherd和本文共同第一作者Chris Larson说，将亲水性水凝胶粘合到疏水性硅树脂上是非常有挑战性的工作。最终，他们利用臭氧打断硅树脂表面的Si-O键，创造出表面羟基，才完成了这一挑战。这种改性表面使得硅树脂层与水凝胶层之间具有良好的附着力。

Robert Shepherd博士。图片来源：Cornell University

这种人造皮肤还可以感知压力，当受压变形时，水凝胶层的电容也会发生相应的变化，从而导致发光亮度的变化。这意味着这种人造皮肤有潜力感知触觉。为了直观展示这种皮肤的弹性、发光能力和压力敏感性，Shepherd团队用这种材料和几个气动层做了一个简单的“毛毛虫”机器人，可以像毛毛虫那样行进。气压的变化同时还引起了发光亮度的变化，看起来非常炫目。

“毛毛虫”机器人。图片来源：Science/AAAS

科罗拉多大学波尔得分校的工程师Christoph Keplinger说，这项发明对于柔性机器人来说是一种“优秀的解决方案”，它能够将刚性电子元件与软结构进行整合。

“这是高柔性显示器和传感器领域很重要的一个进步，毫无疑问地会用于柔性机器人，”加州大学圣地亚哥分校的仿生机器人专家Michael Tolley评论道。

研究团队认为，除了机器人，这种技术在可穿戴设备上也能发挥巨大的作用。

不过，目前这种超弹性皮肤还需要较高的电压，Shepherd的团队正在研究如何降低这种皮肤的厚度，从而可以用电池供电，而不是像现在这样需要插上电源插头。

1. http://science.sciencemag.org/content/351/6277/1071

2. http://cen.acs.org/articles/94/i10/Octopus-inspires-electroluminescent-skin.html

3. http://www.rsc.org/chemistryworld/2016/03/touch-sensitive-colours-stretchy-skin-soft-robots