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技術名稱
Project name
自驅動、完美柔性、主動式機器人皮膚與有感覺皮膚的軟性機器人
Self-powered, active, and perfect-flexible robotic skins and actively perceiving and responsive soft robots
計畫單位
Project Operator
國立中興大學
National Chung Hsing University
展區位置
Booth location
AI智慧應用&電子&光電
AI Intelligent Appliance & Electronics & optoelectronics
技術說明
Technology Introduction
以人類皮膚和軟性動物為靈感,實現智慧機器人應用,本成果主要包含兩部分:
第一,實現完美柔性、可拉伸、可順應變形、不需要電池驅動、能主動感測的機器人感覺皮膚;
第二,實現各種具有主動感覺皮膚的柔性機器人。
這是世界上第一次實現「極度柔軟、不須電力驅動、用靜電感測的主動式機器人皮膚」,也是世界上第一次實現「主動式的感覺皮膚的柔性機器人」! 本成果刊於國際先進材料期[Advanced Materials, DOI:10.1002/adma.201801114] (影響因子=21.97),且許多新聞媒體(包含公視、聯合報、中國時報、自由時報、中央社、中廣、更生日報等)特別報導。
皮膚是生物是最大的器官,提供高等生物重要的感官能力,有極大的面積、極佳柔軟性,人類更藉由皮膚傳遞情感、收集環境重要訊息,特別的是,這些感覺能力都不需要電池驅動!
未來機器人應用十分廣泛,舉凡工業、服務、探索,以及醫療照護等,都需要具有人工智慧的機器人,智慧型機器人的發展將對人類產生革命性的影響。目前科技可以實現智慧機器人的視覺、聽覺,但仍然無法實現智慧機器人最關鍵的觸覺能力,主要原因來自於:1.目前的感測元件無法大面積隨機器人的軀體配置,也無法隨機器人的運動而變形。2.大面積配置感測器在機器人的軀體,電力將是獨立系統的一大挑戰。
因此,本研究的第一個成果便是解決了上述的問題,利用大自然的靜電作為機器人皮膚元件的驅動力,配合高分子奈米複合材料的開發,實現了第一個「不須電力驅動、主動式、大面積、完美柔性的機器人皮膚」(圖1)。所開發機器人皮膚,可以彎曲、可以伸縮、可以隨著機器人的表面與運動而變形,它能主動感覺物體靠近、觸摸、壓力、濕度、溫度、接觸物材料等;更特別的是,它的工作原理不需要電池驅動,而是利用大自然界的靜電驅動,使功耗可以降至最低;搭配優異的柔性機械性質,可以應用在各種需要大面積、大密度的智慧感測系統上,使智慧機器人、智慧機械、智慧電子能擁有生物般的皮膚感知網絡。
再者,傳統機器人,由堅、硬、厚、重的材料為主體,在與柔軟、不規則的人體、物品、環境互動時,存在極大介面差異,尤其,機器人不像人類具有感知皮膚,使得機器人無法感知外在環境,難以感知回饋,不僅在應用上大打折扣,更增添人機使用的危險性與不適合性。現今智慧型機器人發展的挑戰包含:對外在環境的缺乏感知能力、缺乏移動的自由度、人類互動以及協同工作的不安全性等。
仿造軟體生物的柔性機器人有連續柔軟、可變形的身體,能順應環境變形,能提供絕佳的自由度,安全的人機應用;然而,因為其連續柔軟、可變形的軀體,使得實現柔性機器人的皮膚更是困難。
本研究的第二個成果,利用開發的柔性機器人皮膚,實現有主動感覺皮膚的柔性機器人:
1.有皮膚的軟性機器夾具,可感知移動貨品的各種動作(含靠近、拿取、提升),甚至察覺貨品脫落的意外(圖2a)。
2.有皮膚的軟性機器手指,可檢測嬰兒尿布的濕度(圖2b)。
3.有皮膚的軟性機器人,甚至能偵測人體微小的生理訊號(圖2c)。
4.有皮膚的軟性機器人能感知自身肌肉每個動作(圖3a,b)。
5.機器人皮膚主動產生的訊號可直接驅動光電元件,進行直觀通信 (圖3c)。
6.主動產生的訊號可進一步處理,可實現更複雜的智慧機器人用途,如以聲音、光、有意義的短語進行人機互動(圖3d)。
更詳盡的說明可參考附件資料(包含示範影片、詳細中文說明、各媒體新聞報導、以及Advanced Materials(IF=21.95)發表的文章),此成果將為人工智慧、智慧機器人、電子皮膚、智慧物聯感測、工業4.0開啟重要的關鍵大門。

Mimicking human skins and molluscan, the self-powered and super-soft active robotic skin and actively perceivable and responsive soft robots are demonstrated for the first time. The robotic skins with perfect flexibility and stretchability can actively sense external stimuli (including proximity, touching, pressure, and dampness and temperature of contact materials) via self-generating electricity (Fig. 1). The driving energy comes from a natural triboelectrification effect which involves the cooperation of contact electrification and electrostatic induction. The perfect integration of the robotic skins and soft actuators enables soft robots to perform various actively perceiving and interactive tasks. For a conscious gripper, it can actively be aware of different actions in moving an object including approaching, grabbing, lifting, lowering, and even the accident of dropping off the objects (Fig. 2a). A perceivable robot-finger can detect if a baby wet the pants (Fig. 2b). A conscious robotic crawler can even sense very subtle human physiological signals, showing their potential in biomedical uses and palpation (Fig. 2c). Moreover, it can perceive its internal muscle motions during undulating gaits (Fig. 3a,b). Such robots with large-area tribo-skins have been demonstrated for multiplexing sensing uses. Moreover, the actively responding signals can directly drive optoelectronic components for intuitive communication (Fig. 3c) and be further processed for more sophisticated uses such as answering with sound, light, phrases, and so on (Fig. 3d). It is believed the first achievements in the actively perceiving and responsive soft robots can push the boundaries of artificial intelligences, intelligent robotics, as well as their vast related applications.
科學突破性
Scientific Innovation
目前無法實現機器觸覺,因為1傳統元件無法隨機器人軀體配置、無法隨其運動而變形2被動感測器需要連續供給電/光訊號驅動,電力是大面積配置一大問題。此外,軟性機械有極大潛力,但連續柔軟、可變的軀體,使實現其皮膚更是困難。破壞式突破瓶頸:1利用自然靜電,搭配材料開發,實現第一個不須電力驅動、完美柔性、可大面積布置的機器人皮膚。2首次實現軟機器人的皮膚感知能力。

The robotic skin can actively sense external stimuli via self-generating electricity despite under extreme mechanical deformations or even after damage. Such ability and perfect mechanical properties are never happened before. And, for the first time, actively perceiving and responsive soft robots integrated with the skins can sense external and internal stimuli (such as motions, working states, environment, diaper conditions, and even subtle pulses) by self-generating electricity.
產業應用性
Industrial application
智慧機器人將全面影響工業、服務、醫療、照護等,目前挑戰包含:缺乏環境感知、不安全人機應用、缺乏自由度等。沒有皮膚,無法感知內、外,難以回饋控制,更增添危險性。1所開發皮膚適用各種需要感測網絡的應用,含機械安全皮膚、感知皮膚、人機介面等。2有感覺軟機器人提供更大自由度、更安全,能執行精緻、有感的工作。兩大成果將開啟人工智慧、機器人、物聯網、工業4.0關鍵大門。

The presented skin that is self-powered, active, highly-sensitive, highly-flexible, practicable, and low-cost can meet a wide range of applications where smart interactive interfaces are needed. And, the first achievements in the actively perceiving and responsive soft robots can push the boundaries of artificial intelligence, robotics, as well as their vast applications. These works will make a revolutionary impact to human life, ranging from industry, service, to care and medical treatment.
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