電子皮膚技術(shù)及其專利分析

吳艷蘋　向薇　丁冉

摘 要：電子皮膚是具有感知功能的智能電子系統(tǒng)，文章主要介紹了電子皮膚的概念及其技術(shù)特點(diǎn)，并基于專利計(jì)量分析，總結(jié)了電子皮膚技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，最后對(duì)電子皮膚在中國(guó)未來的發(fā)展提出了建議與展望。

關(guān)鍵詞：電子皮膚，專利分析，技術(shù)特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：N04；R318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0113-04

Electronic Skin Technology and the Patents Analysis Thereof

WU Yanping XIANG Wei DING Ran

Abstract： Electronic skin is an intelligent electronic system which having sense function. This paper introduces the concept and technical features of electronic skin， summarizes the research focus and the developing trends of electronic skin on the basis of patents analysis， and gives suggestions on the development of electronic skin in China.

Keywords： electronic skin， patent analysis， technical feature

收稿日期：2014-06-14

作者簡(jiǎn)介：吳艷蘋（1982—），女，北京人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心審查員，主要從事發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查工作。通信方式：wuyanping@sipo.gov.cn。

一 概念介紹

電子皮膚（electronic skin）是能夠模仿人類皮膚，具有“感覺”的智能電子系統(tǒng)。與人體皮膚具有表皮、真皮、皮下組織三層結(jié)構(gòu)類似，電子皮膚的基本結(jié)構(gòu)也主要分為表層、中間層和底層。其中，表層和底層由柔性材料制成，起到一個(gè)防護(hù)和固定的作用，中間層是微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電膜。當(dāng)電子皮膚的表層產(chǎn)生壓力時(shí)，中間層的導(dǎo)電膜發(fā)生結(jié)構(gòu)性應(yīng)變，導(dǎo)致電阻、電容等改變，從而引起輸出信號(hào)的變化，如圖1所示。

電子皮膚至今已經(jīng)經(jīng)歷了30年的發(fā)展。早在1985年，通用電氣公司就制造出了世界上第一塊電子皮膚，由布置在柔性片上的紅外傳感器構(gòu)成，應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的手臂上。進(jìn)入2000年后，電子皮膚技術(shù)取得了快速發(fā)展，美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種基于QTC（量子隧道效應(yīng)）復(fù)合材料的電子皮膚；日本科學(xué)家發(fā)明了由橡膠、導(dǎo)電石墨和新型晶體管組成的電子皮膚[1]；中國(guó)也不甘落后，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所就以絲綢為模板，制成了具有微納米結(jié)構(gòu)柔性導(dǎo)電薄膜的超敏電子皮膚，能夠?qū)γ}搏、心跳、喉部肌肉群震動(dòng)等人體健康相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。

圖1 電子皮膚基本結(jié)構(gòu)

方寸之間的電子皮膚，卻是一門跨越了新材料、傳感器、微機(jī)電、物聯(lián)網(wǎng)等多種前沿學(xué)科的交叉技術(shù)領(lǐng)域，未來可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、軍事、航天、機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域。大力發(fā)展電子皮膚領(lǐng)域知識(shí)創(chuàng)新和專利保護(hù)，將有助于推動(dòng)中國(guó)的新興產(chǎn)業(yè)，完成從邯鄲學(xué)步到自主創(chuàng)新的跨越式發(fā)展，從而把握全球信息技術(shù)革命浪潮的歷史性機(jī)遇。

二 技術(shù)特征

眾所周知，專利代表了科學(xué)研究闡述的技術(shù)成果，專利計(jì)量學(xué)作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科，被越來越多的學(xué)者作為科技領(lǐng)域總結(jié)過去、把握未來的工具。因?yàn)橥ㄟ^對(duì)特定的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行專利計(jì)量分析，可以了解行業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，掌握技術(shù)活動(dòng)的重點(diǎn)，把握行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)[3]。筆者基于SIPOABS數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)電子皮膚相關(guān)專利進(jìn)行了分析。首先，對(duì)電子產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)電子皮膚專利申請(qǐng)分布以及中國(guó)申請(qǐng)量的趨勢(shì)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2、3

圖2 電子皮膚專利申請(qǐng)國(guó)別比例

圖3 中國(guó)專利申請(qǐng)量趨勢(shì)圖

所示。其中，日本、美國(guó)作為傳統(tǒng)的消費(fèi)電子大國(guó)，其專利申請(qǐng)占有量比例較大，在電子皮膚領(lǐng)域有著非常突出的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)電子皮膚的專利件數(shù)呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)，在絕對(duì)數(shù)量上已經(jīng)超越了德國(guó)、歐專局和韓國(guó)，接近美國(guó)。

筆者通過對(duì)中國(guó)2000—2013年的專利技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行分析，總結(jié)出了中國(guó)電子皮膚技術(shù)特征，并對(duì)其研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)給出了如下分析。

（一）新材料技術(shù)：根據(jù)使用情況的不同，電子皮膚應(yīng)當(dāng)可以安裝在任意形狀和材質(zhì)的物體表面上使用，這就需要新材料的性能不斷提升，當(dāng)前新材料領(lǐng)域的技術(shù)趨勢(shì)主要有以下3種。

1.經(jīng)濟(jì)的壓敏導(dǎo)電橡膠：橡膠材料的延展性較好，但其本身不導(dǎo)電，需要在橡膠基體中摻入一定量的導(dǎo)電粒子，如球形顆粒狀的納米炭黑等，使得橡膠材料獲得導(dǎo)電性，但該材料的缺點(diǎn)是線性度不足，導(dǎo)電具有遲滯性。

2.碳納米管：相比炭黑等零維納米結(jié)構(gòu)，一維結(jié)構(gòu)的碳納米管具有較高的長(zhǎng)徑比和較好的導(dǎo)電性，用其作為導(dǎo)電填料制成的碳納米管填充高分子復(fù)合材料具有較低的電阻率和較高的導(dǎo)電性能。

3.石墨烯：石墨烯是由單層碳原子組成的六方蜂巢狀二維結(jié)構(gòu)，是已知的最薄、最堅(jiān)固的超導(dǎo)材料，它具有比碳納米管更優(yōu)異的熱、力和電學(xué)性能，利用納米石墨烯的隧穿效應(yīng)，可以得到具有高靈敏度的觸覺傳感器，在導(dǎo)電復(fù)合材料領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

（二）觸覺傳感器技術(shù)：作為電子皮膚的基本測(cè)量單元，傳感器的性能是影響電子皮膚性能的關(guān)鍵因素，基本的測(cè)量原理包括壓電式、電容式、壓阻式、光學(xué)式等。為了模仿人類皮膚復(fù)雜的感知系統(tǒng)，能將盡可能多的觸覺信息融合采集的觸覺傳感器技術(shù)是未來電子皮膚技術(shù)發(fā)展的重要方向。

1.多維觸覺傳感器：當(dāng)電子皮膚接觸一些表面不規(guī)則的物體時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)三維方向甚至多維方向力的探測(cè)，其主要技術(shù)手段包括：（1）將一維傳感器層疊設(shè)計(jì)，采用多層結(jié)構(gòu)用于分別檢測(cè)多維信息，不足是需要多層布線且層間絕緣，工藝相對(duì)復(fù)雜；（2）傳感器單元多電極布置，例如采用四扇面電極布置對(duì)三維力信息進(jìn)行測(cè)量；（3）基于平板電容特性，利用極板間距變化引起Z向輸出電容的變化，來測(cè)量與界面垂直的Z向正壓力；利用極板間的重合面積發(fā)生變化引起X向和Y向輸出電容的變化，來測(cè)量與界面平行的X向剪切力和Y向剪切力；（4）利用感測(cè)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將三個(gè)方向的力分解出來，降低了電阻數(shù)據(jù)的耦合度，也降低了算法的解耦難度和時(shí)間復(fù)雜度。

2.變量復(fù)合觸覺傳感器：當(dāng)電子皮膚與外界環(huán)境接觸時(shí)，需要通過觸覺感知目標(biāo)環(huán)境的多種物理信息，如果使用不同的檢測(cè)傳感單元，必會(huì)造成空間的占用和成本的增加，這就要求觸覺傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)多種變量的復(fù)合檢測(cè)功能。例如，通過將構(gòu)成壓敏薄膜的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料直接硫化在裸露的銅箔線圈之上形成一體化結(jié)構(gòu)，就可以通過線圈非接觸感知間隙的變化，通過受壓時(shí)阻抗變化感知壓力的變化。

3.低功耗及無源化觸覺傳感器：傳統(tǒng)的傳感器單元工作需要電源供電，額外的電源將給整個(gè)系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)，所以低功耗、無源化的傳感單元成為發(fā)展趨勢(shì)。例如，采用靜電納米發(fā)電機(jī)作為傳感單元，可以將外界施加的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓M(jìn)行自供電，這樣不但節(jié)約了能源，降低了使用成本，而且使電子皮膚更為小型化、集約化，更利于其推廣到更多場(chǎng)合。

（三）電子系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：電子皮膚作為一個(gè)智能電子系統(tǒng)，需要采集外部環(huán)境中多種觸覺信息，主要由供電單元、傳感器單元、天線等組成[4]。

為了使電子皮膚能更接近人體感知操作，實(shí)現(xiàn)反饋控制，需要通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物物相連，使之作為一個(gè)智能化的感知系統(tǒng)發(fā)揮整體功能：

1.構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)：隨著應(yīng)用的增加，單一的觸覺傳感器已經(jīng)不能滿足需求，而如何在盡可能小的空間內(nèi)，在同一基底上分別設(shè)置壓力、溫度、濕度等多個(gè)傳感器，使之互不干擾，共同構(gòu)成一個(gè)能同時(shí)檢測(cè)多種信息的柔性復(fù)合式傳感器網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)成為電子皮膚研究的重要方面。

2.構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：物聯(lián)網(wǎng)即“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層。電子皮膚系統(tǒng)作為感知媒介，屬于物聯(lián)網(wǎng)中的感知層，其在物與物之間的信息交換和采集方面發(fā)揮了重要作用；通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)一步地將電子皮膚感知的信息傳遞到醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、安全等不同應(yīng)用層進(jìn)行智能決策，即構(gòu)成了一個(gè)層次分明的完整物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這樣的物聯(lián)應(yīng)用已經(jīng)受到了越來越多的重視，是未來一段時(shí)間技術(shù)趨勢(shì)的發(fā)展方向。

三 對(duì)電子皮膚技術(shù)發(fā)展的建議與展望

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著技術(shù)難題的不斷被攻克和關(guān)鍵元器件性能的不斷提升，電子皮膚技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。對(duì)于中國(guó)如何能夠在該技術(shù)領(lǐng)域中不斷取得研究成果，從而推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，筆者有如下建議：

1.緊跟技術(shù)潮流，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力。與中國(guó)電子皮膚相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量激增的直接體現(xiàn)不同，歐美各國(guó)越來越注重利用其長(zhǎng)期積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，逐步完成在華的專利布局，完成對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的封鎖。在這種情況下，中國(guó)若想突破重圍，所申請(qǐng)專利的領(lǐng)域就不能僅局限于外圍化、邊緣化，必須不斷開拓具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，從而提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

2.降低成本，走產(chǎn)學(xué)研一體化道路。現(xiàn)有的電子皮膚系統(tǒng)仍存在使用時(shí)間不夠長(zhǎng)、單價(jià)較貴的局限。對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)人均收入偏低的發(fā)展中國(guó)家來說，使用成本過高，難以將其推廣到普通群眾中廣泛使用。未來應(yīng)充分利用高校、研究所的智力優(yōu)勢(shì)，努力向模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化方向推進(jìn)，早日實(shí)現(xiàn)大批量、商品化生產(chǎn)目標(biāo)，再以生產(chǎn)帶動(dòng)學(xué)術(shù)與研究，形成良性循環(huán)。

3.推廣應(yīng)用，不斷完善產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。在短期技術(shù)水平難以趕超西方國(guó)家的情況下，中國(guó)可以在產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)面多下功夫，將電子皮膚與醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)康復(fù)、工業(yè)自動(dòng)化更為緊密地結(jié)合，形成細(xì)分行業(yè)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)，建立起長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃，確立符合中國(guó)實(shí)際情況的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在推廣和應(yīng)用中給予適當(dāng)?shù)恼邇A斜，以應(yīng)用帶動(dòng)研發(fā)，為將來實(shí)現(xiàn)技術(shù)超越做好準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

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