電流體動(dòng)力印刷設(shè)備子技術(shù)的另一項(xiàng)重要應(yīng)用就是電子皮膚(electronic skin)。 電子皮膚又稱為皮膚狀電子,其基本特征是將各種電子元器件集成在柔性基板之上從而形成皮膚狀的電路板,像皮膚一樣具有很高的柔韌性和彈性,可以用于許多其它電器設(shè)備。
例如,在機(jī)器人技術(shù)中可以廣泛的應(yīng)用電子皮膚:電子皮膚集成了各種傳感器和導(dǎo)電體,將外界的受力或受熱情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳遞給機(jī)器人的電腦進(jìn)行信號(hào)處理,因此電子皮膚又稱敏感皮膚(sensitive skin)。
電子皮膚的兩個(gè)最基本的特點(diǎn)可以概括為:
1)像人的皮膚一樣具有柔性和彈性以便機(jī)器人可以像真人一樣行動(dòng)靈活和敏捷。
2)電子皮膚上分布傳感器以便機(jī)器人能敏銳的感覺到外界環(huán)境的變化。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)電子皮膚的研究方興未艾。針對(duì)機(jī)器人皮膚的重要電子元器件—— 傳感器,國(guó)內(nèi)在其原理及應(yīng)用研究方面取得了一定進(jìn)展。 基于紅外傳感器的電子皮膚的設(shè)計(jì)方法,提高了機(jī)器人對(duì)未知環(huán)境的感知能力以便及時(shí)避讓障礙物。
此外, 解決了電子皮膚中諸多傳感器的信號(hào)融合問題。 由于PVDF壓電薄膜具有壓電能力高,柔韌,極薄,質(zhì)輕,很接近人體皮膚的特性,因此國(guó)內(nèi)外圍繞該材料進(jìn)行電子皮膚傳感器的研究較為普遍。
國(guó)外對(duì)電子皮膚的相關(guān)問題研究也取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展.日本的研究人員不僅發(fā)展了電子皮膚的相關(guān)理論,更是制造出試驗(yàn)性產(chǎn)品. 針對(duì)電子皮膚的力感受問題進(jìn)行研究,通過建立受力與傳感器電容的關(guān)系探討了實(shí)現(xiàn)力傳感的可能性。
盡管電子皮膚的基本原理并不復(fù)雜,但是如何給機(jī)器人覆蓋電子皮膚具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性,因?yàn)殡娮悠つw是感受機(jī)器人全身的外界環(huán)境,必須具有整體性,同時(shí),電子皮膚作為一種外表部件,存在受外部因素而損壞的可能性。當(dāng)電子皮膚的整體或部分損壞時(shí),需要及時(shí)更換。
針對(duì)電子皮膚的這種需求、提出了電子皮膚單元模塊的概念,通過連續(xù)總線(serialbus)連接各個(gè)單元模塊,從而實(shí)現(xiàn)了電子皮膚的整體性與可擴(kuò)展性的統(tǒng)一.但是,電線的使用不可避免的增加了電子皮膚的重量,電線的絕緣橡膠層也在一定程度上制約了電子皮膚的柔軟性。
在這種情況下, 對(duì)電子皮膚的連接導(dǎo)體進(jìn)行了深入研究,提出了金屬(金)薄膜附著在預(yù)拉伸的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯,俗稱聚酯基板上的新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明這種金屬薄膜在大到一倍的拉伸變形下(即應(yīng)變達(dá)到100%)仍可導(dǎo)電。
針對(duì)電子皮膚傳感器的研究目前大多集中于單一外界信息的傳感(例如力)。但是,作為電子皮膚,對(duì)多重外界信息的傳感非常重要,即能同時(shí)感受到力、溫度、濕度等外界刺激。要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),至少需要在3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破:
(1)材料選擇:傳感器傳感功能的實(shí)現(xiàn)在一定程度上依賴于傳感器材料的功能特性,例如壓電性、熱釋電性或半導(dǎo)性,所以對(duì)功能材料的研究和應(yīng)用影響著傳感器技術(shù)的發(fā)展。
(2)多重敏感信號(hào)的處理:一個(gè)完整的(機(jī)器人)電子皮膚上匯集著相當(dāng)數(shù)量的感受微元,每個(gè)感受微元都具備對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行響應(yīng)的功能,在某些情況下每個(gè)感受微元還要同時(shí)對(duì)多重信號(hào)(例如同時(shí)感受力和熱)進(jìn)行響應(yīng)。在信號(hào)量相當(dāng)巨大的情況下,如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理進(jìn)而確定機(jī)器人對(duì)外界刺激的對(duì)策是一項(xiàng)重要課題。
(3)電子皮膚力學(xué)性能的優(yōu)化:作為柔性電子技術(shù)的重要應(yīng)用,電子皮膚必須滿足在強(qiáng)度保證下柔韌性的實(shí)現(xiàn);在不產(chǎn)生破壞前提下的最輕質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)也是需要考慮的重要內(nèi)容。
除了機(jī)器人,在人造器官中也可以應(yīng)用電子皮膚,例如治療心臟病所用的人造心臟,當(dāng)然這對(duì)電子皮膚的材料提出了更苛刻的要求。總之,電子皮膚充分發(fā)揮了柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、柔韌的特點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景。
伴隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展,各種電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。正如微電子技術(shù)為大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)提供技術(shù)平臺(tái)一樣,柔性電子技術(shù)為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了嶄新的的技術(shù)平臺(tái)。