“智能泡沫”成机器人皮肤新材料：能感知你的手，坏了还会自我修复

7 月 12 日消息，近日，据路透社报道，新加坡研究人员开发了一种智能泡沫材料（smart foam material），可以让机器人感知附近的物体，并在损坏时自我修复，就像人类皮肤一样。

这种智能泡沫被称为 AiFoam（Artificially innervated foam），是一种高弹性聚合物（elastic polymer），由含氟聚合物（fluoropolymer）与降低表面张力的化合物（compound that lowers surface tension）混合而成。新加坡国立大学的研究人员称，这使得 AiFoam 在受到切割时很容易融合成一块（自我修复）。

▲ AiFoam

该研究论文题目为《人工神经支配的自愈泡沫作为合成压电阻抗传感器皮肤（Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins）》，该研究成果已于 2020 年 11 月在 Nature Communications 杂志上发表。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19531-0

一、智能泡沫材料制作步骤多，调配困难

智能泡沫这种新材料虽然功能很强大，但制作起来可是相当有困难。不信你看着步骤：

1. 需要将含氟表面活性剂 (Zonyl FS-300) 放在 70 °C 的烘箱中干燥。

2. 将两克聚（偏二氟乙烯）-共六氟丙烯（PVDF-HFP）（3M）溶解在丙酮中并搅拌至少 4 小时。

3. 向溶液中加入 1.7ml 含氟表面活性剂并搅拌 24 小时。

4. 将 46 微升 1,3-二氨基丙烷 (DAP) 滴加到搅拌溶液中，在反应 30 分钟后，溶液将变成淡黄色。

5. 将 μNi 微粒添加到溶液中，并使用 SpeedMixer (FlackTek) 在 2500 rpm 下将溶液混合 2.5 分钟。

6. 将混合物浇铸到 2.5×5×0.2cm 的玻璃模具（宽 × 长 × 高）中。

7. 然后将材料置于加热板上，在 70°C 下加热 30 分钟，通过蒸发丙酮来自发泡。

8. 为了交联聚合物，将材料加热至 120 °C 并保持 30 分钟。

通过加热搅拌再加热的复杂程序，智能泡沫就做好了，制作方法是真的很困难呢！

▲ 制作 AiFoam

二、被破坏后能自愈合，还能被拉伸近两倍

受人类体感神经支配结构（architecture of the human somatosensory innervations）的启发，团队提出了一种新结构，该结构使用三维金属线电极（three-dimensional (3D) metal wire electrodes）作为“神经”，嵌入到低模量（low-modulus）的自愈泡沫中。与其他基于泡沫的传感器相比，团队合成的自修复泡沫材料仅有 600kpa 的低模量（低模量的拉伸模量 MPa≤0.4 或≤0.6），并且具有弹性，可为接触力传感器提供恢复力。

据研究人员介绍，“在四天内将其加热至 70 摄氏度，该材料愈合了大约 70％，并且仍可以拉伸到其长度的几乎两倍（180％）。”

▲ AiFoam 能够自愈合

三、模拟“人类的触觉”，使得互动更加智能

为了复制人类的触觉，研究人员在这种材料中注入了微小的金属颗粒，并在泡沫表面下方添加了微小的电极。当施加压力时，金属颗粒在聚合物基体中靠拢，改变了它们的电性能（electrical properties）。新加坡国立大学的 Benjamin C.K. Tee 教授表示，这些变化可以通过计算机的电极检测到，然后发出指令告诉机器人该做什么。

“当我将手指移到传感器附近时，您可以看到传感器正在测量我的电场变化，并对我的触摸做出相应的响应，”他说。此功能使机器人的“手”不仅可以检测到力的大小，还可以检测到受力方向，从而可能使机器人更加智能和互动。

▲ 测试 AiFoam 的“触觉”

四、团队希望该材料在五年内投入使用

Benjamin C.K. Tee 表示，AiFoam 是同类产品中第一个将自愈特性（self-healing properties）、近距离感应（proximity）和压力（pressure）感应相结合的产品。经过两年多的开发，他和他的团队希望这种材料能在五年内投入实际使用。

据了解，团队希望将 AiFoam 应用于机器人和假肢等领域，以实现人机之间更多交互的可能性。

▲ 使用 AiFoam 的机器人手臂

结语：AiFoam 为机器人的智能化和互动性提供了更多可能

AiFoam 通过模拟人类的触觉实现了对周围环境的高感知，而材料特有的自我修复特性以及对接触力的敏感性，将使机器人能更好地判断人类的意图。

使用该材料研发的新一代的机器人，将有可能对环境变化做出更快速、更有效的反应。

目前，科学家研究的机器人皮肤主要分为两个方向。一个方向是外观，将机器人皮肤创作的近似人类皮肤，例如柔性弹性水凝胶的应用，使得机器人的皮肤能够在受到压力下出现淤青。另一方面是感知能力，例如 AiFoam 的材料，能够赋予机器人的“触觉”，从而让他们能更智能的互动。

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