研究人工皮肤和人工肌肉只是机器人模拟人类的初步工作，要使机器人能够感知各种外界环境，就必须在机器人身体里植入各种各样的传感器。

　　自2016年起，人工智能再次成为全球焦点，原因在于谷歌旗下DeepMind公司开发了一个名为AlphaGo的人工智能(AI)系统，该系统先后与世界围棋冠军李世石和柯洁上演人机大战，并最终大胜人类冠军棋手。至此，全球掀起了人工智能热潮，众多企业纷纷向人工智能转型。与此同时，与人工智能息息相关的机器人也逐渐从科幻小说进入我们的视野，各种服务型机器人开始走进众多普通家庭，例如解放人类双手的扫地机器人、陪伴儿童成长的智能机器人、用于自主巡逻和人像识别的安保机器人，等等。甚至于，有些疯狂的公司和个人在打造机器人伴侣，以女友、伴侣形式进入人类世界。

　　与传统的工业机器人相比，各种服务型机器人在外形和智能化程度上更接近人类，而一些高仿真机器人更是面容艳美、身材姣好，颜值堪比明星。然而，目前的机器人产品远远未能模拟人类的特征。例如，人体的皮肤是由水、蛋白质、无机盐和脂肪酸组成的，质量很轻却又具有良好的力学强度，能感知外界温度、湿度、压力等环境的变化，在受到损伤之后还能自动愈合。大部分仿真机器人的皮肤是用硅胶制成的，硅胶的触感虽然跟人的皮肤相似，但缺乏真正皮肤的传感和自愈合功能。人的肌肉受人体神经的控制，在神经的支配下,会产生不同的收缩,进而完成行走、弯腰、抓握等动作，而目前即使是最先进的人形机器人或义肢，受限于笨重的发动机和液压系统，其灵活程度、力量与整体工作能力都与人类相差甚远。

　　未来，通过新材料技术的发展，我们如果能够在人工皮肤和人工肌肉方面取得突破，并结合人们在深度学习(deep learning)方面的研究成果，将有可能打造出在体貌特征和学习能力等各方面均能与人类相媲美的智能机器人。

　　人工皮肤

　　如前所述，人体的皮肤是由水、蛋白质、无机盐和脂肪酸组成的，其中水分约占70%，蛋白质约占25%。有人曾这样生动地形容：皮肤就像浸在水里的胶状物。皮肤的质量占人体总质量的5%～15%，是人体中除了骨骼和血液外质量最大的组织。同时，皮肤也是人体最大的器官，和外界接触最为广泛。因此，皮肤是保护身体的第一道防线，是身体的外壳。它通过感知外界温度、湿度、压力等环境的变化，在我们身处恶劣环境时提前预警，使我们及时脱离险境。

　　美国斯坦福大学鲍哲南教授领导的团队多年来一直致力于进行“人造皮肤”的开发。此“人造皮肤”其实是一种独特的电子元件，它利用敏感的电子材料制成，可以被拉伸，能够感受微小的压力带来的电流变化。实际测试表明，这种材料能清晰地感知一只苍蝇或蝴蝶停留在其表面所产生的“触觉”，并且做出感应的速度极快。这种人造皮肤是一种高分子材料，鲍哲南将其称为“柔性电极材料”。这种材料具有广泛的应用价值，如果运用到医学上，就可以制成检测器，为癌症患者准确区分硬的癌细胞和软的健康细胞，从而快速、准确地切除癌细胞;如果用在汽车方向盘上，当驾驶人因困乏、走神等原因松开方向盘时，感应器就会及时提醒，避免发生交通事故;如果运用到机器人身上，机器人就可以轻轻拿起一只鸡蛋而不捏碎，使机器人各方面的性能得到极大的提高。

　　人的皮肤不仅可以感知压力，也可以感知温度和湿度。为了得到对温度和湿度高度敏感的人工皮肤，以色列理工学院的霍萨姆?赫科(Hossam Haick)带领的研究团队将直径为5～8纳米的金纳米粒子置于由柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的基座顶部，得到了一种导电能力随温度、湿度变化而变化的传感器。这种传感器能够在低电压状态下运行，从而满足便携需求。这种检测温度、湿度的传感器未来可以应用到机器人的电子皮肤中。外科医生或许能够利用它来帮助患者恢复知觉。

　　人的皮肤除了具有感知外界环境的能力之外，还有一种本领就是在受到损伤之后能自动愈合。未来，智能机器人的皮肤也应该具有自修复功能。为了使人工皮肤具有自修复功能，人们将催化剂和修复液分别装进微脉管或微胶囊中，然后将微脉管或微胶囊分散在聚合物里。当材料遭受外力产生裂纹时，微脉管或微胶囊发生破裂，使催化剂和修复液迅速释放。修复液在催化剂的作用下发生交联聚合反应，生成新的网络大分子，阻止裂纹的扩展，从而完成对裂纹的修复。或者将可逆化学键引入高分子骨架中，这些化学键在一些外界因素(如pH、温度等)的影响下,键的断裂和形成可以达到可逆的动态平衡。因此，当这些键断裂以后，通过加热、光照、调控pH值等手段，甚至无须外界刺激就可重新形成，从而达到修复的目的。根据这个原理，鲍哲南团队将具有自修复能力的塑料和导电金属复合在一起，得到了导电的自修复柔性电极。该材料断裂后具有良好的修复能力。同一样品可在同一个地方反复切削，经过50次切削和修复，样品的柔韧性和伸展度仍完好如初。

　　人工肌肉

　　肌肉是生物学上可收缩的组织，具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给以及传动等功能，人类很早就致力于仿生物肌肉的“人工肌肉”研发。20世纪50年代，美国医生约瑟夫·麦吉本(Joseph McKibben)首次研制了气动驱动器，并发展成为商业上的McKibben驱动器。然而，作为人工肌肉材料，McKibben驱动器体积大，而且受到辅助系统的限制。形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料，与同时代的驱动材料相比，它们具有高能量密度和低比重等特点，但同样存在许多不利因素，如形变不可预知性、响应速度慢以及使用尺寸受限等，这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料，其响应速度较形状记忆合金快，但脆性大，只能获得小于l%的应变。受到材料的限制，人工肌肉的研究一直处于缓慢发展阶段，直到一类新型材料——电活性聚合物(Electroactive polymers，EAP)的出现。

　　EAP材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显著特征是能够将电能转化为机械能。EAP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级，并且较形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大。此外，它还具有类似人体肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的裴启兵教授一直致力于研究基于电活性聚合物的人工肌肉。他们的材料厚度只有几十微米，加上导电涂层后可以叠加、卷绕成一定的形状，做成手指或者其他的形状。通电以后，“人工肌肉”便可产生形变。这种人工肌肉将为肌肉萎缩患者带来福音。只要将手机大小的“薄膜”贴在萎缩部位，通过电信号刺激，就可以带动肌肉运动，帮助患者正常行走。目前，这种“人工肌肉”器件已经到了实验室研发阶段，预计不久的将来能够投入市场。

　　与皮肤一样，肌肉也有自修复功能。因此，科学家也在想办法制备具有自修复功能的人工肌肉。美国加利福尼亚大学河滨分校的王朝教授利用能够自修复的弹性离子导体来实现这个目标。他们的材料能够在受到损伤后5分钟内实现自我修复，还可以拉伸到正常长度的2倍左右。与其他材料不同，它不需要任何外部刺激来触发这一过程，在室温下可以自发进行。在此基础上，他们制备了基于这种自修复弹性离子导体的人工肌肉。所得到的人工肌肉在接收到信号时也会做出反应，就像人类的肌肉(如二头肌)在收到大脑发送的信号时会移动一样。如果将人工肌肉的一部分切割成两个单独的块体，在不依赖外部刺激的情况下便可愈合，并且可恢复到与切割之前相同的性能水平。南京大学的研究团队也研发出一种弹性超强、可自修复且能通过电压控制动作的新材料，向研制智能化的人工肌肉迈出了重要一步。

　　前景与挑战

　　人类制造机器人的终极目标是要让机器人像人类一样高度智能化。然而，实现这个目标绝非易事。人体通过视觉、触觉、味觉、嗅觉、听觉等感官来获取外界信息和解析周边环境，通过心、肺、肾、肝、脾等器官进行各种生理活动，所有这些结构和功能都是极其精巧微妙的。研究人工皮肤和人工肌肉只是模拟人类的初步工作，尽管这些工作极具挑战性。

　　人体的皮肤相当于人身上的传感器。本质上讲，人类具有的所有感官都能够通过在机器人身上配置相应的传感器来实现。因此，要使机器人能够感知各种外界环境，就必须在机器人身体里植入各种各样的传感器。然而，机器人的内部空间极为有限，机器人有限的内部空间和人类对机器人无限感官的期待之间的矛盾，就像人民群众日益增长的物质文化需求同落后的社会生产之间的矛盾一样亟待解决。这就要求未来的传感器必须要做得更薄、更小，或者要求一个传感器具有多种功能。

　　目前的人工肌肉还存在诸多挑战性的难题。现有的材料还存在驱动电压高、形变小、响应速度慢、回弹力小等诸多问题。即便这些问题解决了，也需要通过器件的巧妙设计来实现对其形变的精确控制。未来，我们还需要进一步研究如何将神经信号转化成电信号，然后再把电信号转化为各种动作。这样，才能实现通过人工智能来控制机器人躯体的动作。

　　也许，经过多年的研究之后，我们能够制造出结构和功能非常完善的人工皮肤和人工肌肉，那时智能机器人一定会更像人类，也将成人类最好的“合作伙伴”!

　　李承辉，南京大学化学化工学院副教授。

本文来自《张江科技评论》