论文部分内容阅读
摘 要：电子皮肤是具有感知功能的智能电子系统，文章主要介绍了电子皮肤的概念及其技术特点，并基于专利计量分析，总结了电子皮肤技术的研究热点和发展趋势，最后对电子皮肤在中国未来的发展提出了建议与展望。
关键词：电子皮肤，专利分析，技术特点
中图分类号：N04；R318 文献标识码：A 文章编号：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
作者简介：吴艳苹（1982—），女，北京人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心审查员，主要从事发明专利实质审查工作。通信方式：wuyanping@sipo.gov.cn。
一 概念介绍
电子皮肤（electronic skin）是能够模仿人类皮肤，具有“感觉”的智能电子系统。与人体皮肤具有表皮、真皮、皮下组织三层结构类似，电子皮肤的基本结构也主要分为表层、中间层和底层。其中，表层和底层由柔性材料制成，起到一个防护和固定的作用，中间层是微结构的导电膜。当电子皮肤的表层产生压力时，中间层的导电膜发生结构性应变，导致电阻、电容等改变，从而引起输出信号的变化，如图1所示。
电子皮肤至今已经经历了30年的发展。早在1985年，通用电气公司就制造出了世界上第一块电子皮肤，由布置在柔性片上的红外传感器构成，应用于工业机器人的手臂上。进入2000年后，电子皮肤技术取得了快速发展，美国科学家发明了一种基于QTC（量子隧道效应）复合材料的电子皮肤；日本科学家发明了由橡胶、导电石墨和新型晶体管组成的电子皮肤[1]；中国也不甘落后，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所就以丝绸为模板，制成了具有微纳米结构柔性导电薄膜的超敏电子皮肤，能够对脉搏、心跳、喉部肌肉群震动等人体健康相关的信号进行实时监测[2]。
图1 电子皮肤基本结构
方寸之间的电子皮肤，却是一门跨越了新材料、传感器、微机电、物联网等多种前沿学科的交叉技术领域，未来可以广泛应用于医疗、运动、军事、航天、机器人等多个领域。大力发展电子皮肤领域知识创新和专利保护，将有助于推动中国的新兴产业，完成从邯郸学步到自主创新的跨越式发展，从而把握全球信息技术革命浪潮的历史性机遇。
二 技术特征
众所周知，专利代表了科学研究阐述的技术成果，专利计量学作为一个相对独立的学科，被越来越多的学者作为科技领域总结过去、把握未来的工具。因为通过对特定的技术领域进行专利计量分析，可以了解行业技术的发展趋势，掌握技术活动的重点，把握行业的竞争态势[3]。笔者基于SIPOABS数据库，对电子皮肤相关专利进行了分析。首先，对电子产业强国电子皮肤专利申请分布以及中国申请量的趋势进行了分析，结果如图2、3
图2 电子皮肤专利申请国别比例
图3 中国专利申请量趋势图
所示。其中，日本、美国作为传统的消费电子大国，其专利申请占有量比例较大，在电子皮肤领域有着非常突出的优势。进入21世纪后，中国电子皮肤的专利件数呈现出显著的上升趋势，在绝对数量上已经超越了德国、欧专局和韩国，接近美国。
笔者通过对中国2000—2013年的专利技术进一步进行分析，总结出了中国电子皮肤技术特征，并对其研究热点和发展趋势给出了如下分析。
（一）新材料技术：根据使用情况的不同，电子皮肤应当可以安装在任意形状和材质的物体表面上使用，这就需要新材料的性能不断提升，当前新材料领域的技术趋势主要有以下3种。
1.经济的压敏导电橡胶：橡胶材料的延展性较好，但其本身不导电，需要在橡胶基体中掺入一定量的导电粒子，如球形颗粒状的纳米炭黑等，使得橡胶材料获得导电性，但该材料的缺点是线性度不足，导电具有迟滞性。
2.碳纳米管：相比炭黑等零维纳米结构，一维结构的碳纳米管具有较高的长径比和较好的导电性，用其作为导电填料制成的碳纳米管填充高分子复合材料具有较低的电阻率和较高的导电性能。
3.石墨烯：石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，是已知的最薄、最坚固的超导材料，它具有比碳纳米管更优异的热、力和电学性能，利用纳米石墨烯的隧穿效应，可以得到具有高灵敏度的触觉传感器，在导电复合材料领域具有很大的应用前景。
（二）触觉传感器技术：作为电子皮肤的基本测量单元，传感器的性能是影响电子皮肤性能的关键因素，基本的测量原理包括压电式、电容式、压阻式、光学式等。为了模仿人类皮肤复杂的感知系统，能将尽可能多的触觉信息融合采集的触觉传感器技术是未来电子皮肤技术发展的重要方向。 1.多维触觉传感器：当电子皮肤接触一些表面不规则的物体时，需要实现三维方向甚至多维方向力的探测，其主要技术手段包括：（1）将一维传感器层叠设计，采用多层结构用于分别检测多维信息，不足是需要多层布线且层间绝缘，工艺相对复杂；（2）传感器单元多电极布置，例如采用四扇面电极布置对三维力信息进行测量；（3）基于平板电容特性，利用极板间距变化引起Z向输出电容的变化，来测量与界面垂直的Z向正压力；利用极板间的重合面积发生变化引起X向和Y向输出电容的变化，来测量与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力；（4）利用感测微结构设计将三个方向的力分解出来，降低了电阻数据的耦合度，也降低了算法的解耦难度和时间复杂度。
2.变量复合触觉传感器：当电子皮肤与外界环境接触时，需要通过触觉感知目标环境的多种物理信息，如果使用不同的检测传感单元，必会造成空间的占用和成本的增加，这就要求触觉传感器能够实现多种变量的复合检测功能。例如，通过将构成压敏薄膜的导电高分子复合材料直接硫化在裸露的铜箔线圈之上形成一体化结构，就可以通过线圈非接触感知间隙的变化，通过受压时阻抗变化感知压力的变化。
3.低功耗及无源化触觉传感器：传统的传感器单元工作需要电源供电，额外的电源将给整个系统带来负担，所以低功耗、无源化的传感单元成为发展趋势。例如，采用静电纳米发电机作为传感单元，可以将外界施加的机械能转变为电能进行自供电，这样不但节约了能源，降低了使用成本，而且使电子皮肤更为小型化、集约化，更利于其推广到更多场合。
（三）电子系统及物联网技术：电子皮肤作为一个智能电子系统，需要采集外部环境中多种触觉信息，主要由供电单元、传感器单元、天线等组成[4]。
为了使电子皮肤能更接近人体感知操作，实现反馈控制，需要通过传感器网络和数据传输网络，实现物物相连，使之作为一个智能化的感知系统发挥整体功能：
1.构建传感器网络：随着应用的增加，单一的触觉传感器已经不能满足需求，而如何在尽可能小的空间内，在同一基底上分别设置压力、温度、湿度等多个传感器，使之互不干扰，共同构成一个能同时检测多种信息的柔性复合式传感器网络，已经成为电子皮肤研究的重要方面。
2.构建物联网络：物联网即“物物相连的互联网”，其拓扑结构可以分为感知层、网络层和应用层三层。电子皮肤系统作为感知媒介，属于物联网中的感知层，其在物与物之间的信息交换和采集方面发挥了重要作用；通过无线传输网络等技术进一步地将电子皮肤感知的信息传递到医疗、运动、安全等不同应用层进行智能决策，即构成了一个层次分明的完整物联网络。这样的物联应用已经受到了越来越多的重视，是未来一段时间技术趋势的发展方向。
三 对电子皮肤技术发展的建议与展望
进入21世纪以来，随着技术难题的不断被攻克和关键元器件性能的不断提升，电子皮肤技术已经进入了一个高速发展时期。对于中国如何能够在该技术领域中不断取得研究成果，从而推动相关产业发展，笔者有如下建议：
1.紧跟技术潮流，提升核心竞争力。与中国电子皮肤相关领域专利申请量激增的直接体现不同，欧美各国越来越注重利用其长期积累的技术优势，引领行业发展，逐步完成在华的专利布局，完成对关键技术的封锁。在这种情况下，中国若想突破重围，所申请专利的领域就不能仅局限于外围化、边缘化，必须不断开拓具有自主知识产权的核心技术，从而提升国际竞争力。
2.降低成本，走产学研一体化道路。现有的电子皮肤系统仍存在使用时间不够长、单价较贵的局限。对于中国这样一个人均收入偏低的发展中国家来说，使用成本过高，难以将其推广到普通群众中广泛使用。未来应充分利用高校、研究所的智力优势，努力向模块化和标准化方向推进，早日实现大批量、商品化生产目标，再以生产带动学术与研究，形成良性循环。
3.推广应用，不断完善产业链建设。在短期技术水平难以赶超西方国家的情况下，中国可以在产品应用发面多下功夫，将电子皮肤与医疗器械、运动康复、工业自动化更为紧密地结合，形成细分行业的完整产业链。同时，建立起长远的发展规划，确立符合中国实际情况的行业标准，在推广和应用中给予适当的政策倾斜，以应用带动研发，为将来实现技术超越做好准备。
参考文献
[1] Mallory L.Hammock. 25th Anniversary Article： The Evolution of Electronic Skin （ESkin）： A brief History， Design Considerations， and Recent Progress[J]. Advanced Materials， 2013，25（42）：5997-6038.
[2] Xue wen Wang. SilkMolded Flexible， Ultrasensitive， and Highly Stable Electronic Skin for Monitoring Human Physiological Signals[J]. Advanced Materials， 2014，26：1336-1342.
[3] 苗军，洪凡，陈慧琪，等.全球石墨烯技术领域专利计量分析[J].新材料产业，2014，（1）： 42-49.
[4] DaeHyeong Kim. Epidermal Electronics[J]. Science，2011，333（12）： 838-843.
关键词：电子皮肤，专利分析，技术特点
中图分类号：N04；R318 文献标识码：A 文章编号：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
作者简介：吴艳苹（1982—），女，北京人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心审查员，主要从事发明专利实质审查工作。通信方式：wuyanping@sipo.gov.cn。
一 概念介绍
电子皮肤（electronic skin）是能够模仿人类皮肤，具有“感觉”的智能电子系统。与人体皮肤具有表皮、真皮、皮下组织三层结构类似，电子皮肤的基本结构也主要分为表层、中间层和底层。其中，表层和底层由柔性材料制成，起到一个防护和固定的作用，中间层是微结构的导电膜。当电子皮肤的表层产生压力时，中间层的导电膜发生结构性应变，导致电阻、电容等改变，从而引起输出信号的变化，如图1所示。
电子皮肤至今已经经历了30年的发展。早在1985年，通用电气公司就制造出了世界上第一块电子皮肤，由布置在柔性片上的红外传感器构成，应用于工业机器人的手臂上。进入2000年后，电子皮肤技术取得了快速发展，美国科学家发明了一种基于QTC（量子隧道效应）复合材料的电子皮肤；日本科学家发明了由橡胶、导电石墨和新型晶体管组成的电子皮肤[1]；中国也不甘落后，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所就以丝绸为模板，制成了具有微纳米结构柔性导电薄膜的超敏电子皮肤，能够对脉搏、心跳、喉部肌肉群震动等人体健康相关的信号进行实时监测[2]。
图1 电子皮肤基本结构
方寸之间的电子皮肤，却是一门跨越了新材料、传感器、微机电、物联网等多种前沿学科的交叉技术领域，未来可以广泛应用于医疗、运动、军事、航天、机器人等多个领域。大力发展电子皮肤领域知识创新和专利保护，将有助于推动中国的新兴产业，完成从邯郸学步到自主创新的跨越式发展，从而把握全球信息技术革命浪潮的历史性机遇。
二 技术特征
众所周知，专利代表了科学研究阐述的技术成果，专利计量学作为一个相对独立的学科，被越来越多的学者作为科技领域总结过去、把握未来的工具。因为通过对特定的技术领域进行专利计量分析，可以了解行业技术的发展趋势，掌握技术活动的重点，把握行业的竞争态势[3]。笔者基于SIPOABS数据库，对电子皮肤相关专利进行了分析。首先，对电子产业强国电子皮肤专利申请分布以及中国申请量的趋势进行了分析，结果如图2、3
图2 电子皮肤专利申请国别比例
图3 中国专利申请量趋势图
所示。其中，日本、美国作为传统的消费电子大国，其专利申请占有量比例较大，在电子皮肤领域有着非常突出的优势。进入21世纪后，中国电子皮肤的专利件数呈现出显著的上升趋势，在绝对数量上已经超越了德国、欧专局和韩国，接近美国。
笔者通过对中国2000—2013年的专利技术进一步进行分析，总结出了中国电子皮肤技术特征，并对其研究热点和发展趋势给出了如下分析。
（一）新材料技术：根据使用情况的不同，电子皮肤应当可以安装在任意形状和材质的物体表面上使用，这就需要新材料的性能不断提升，当前新材料领域的技术趋势主要有以下3种。
1.经济的压敏导电橡胶：橡胶材料的延展性较好，但其本身不导电，需要在橡胶基体中掺入一定量的导电粒子，如球形颗粒状的纳米炭黑等，使得橡胶材料获得导电性，但该材料的缺点是线性度不足，导电具有迟滞性。
2.碳纳米管：相比炭黑等零维纳米结构，一维结构的碳纳米管具有较高的长径比和较好的导电性，用其作为导电填料制成的碳纳米管填充高分子复合材料具有较低的电阻率和较高的导电性能。
3.石墨烯：石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，是已知的最薄、最坚固的超导材料，它具有比碳纳米管更优异的热、力和电学性能，利用纳米石墨烯的隧穿效应，可以得到具有高灵敏度的触觉传感器，在导电复合材料领域具有很大的应用前景。
（二）触觉传感器技术：作为电子皮肤的基本测量单元，传感器的性能是影响电子皮肤性能的关键因素，基本的测量原理包括压电式、电容式、压阻式、光学式等。为了模仿人类皮肤复杂的感知系统，能将尽可能多的触觉信息融合采集的触觉传感器技术是未来电子皮肤技术发展的重要方向。 1.多维触觉传感器：当电子皮肤接触一些表面不规则的物体时，需要实现三维方向甚至多维方向力的探测，其主要技术手段包括：（1）将一维传感器层叠设计，采用多层结构用于分别检测多维信息，不足是需要多层布线且层间绝缘，工艺相对复杂；（2）传感器单元多电极布置，例如采用四扇面电极布置对三维力信息进行测量；（3）基于平板电容特性，利用极板间距变化引起Z向输出电容的变化，来测量与界面垂直的Z向正压力；利用极板间的重合面积发生变化引起X向和Y向输出电容的变化，来测量与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力；（4）利用感测微结构设计将三个方向的力分解出来，降低了电阻数据的耦合度，也降低了算法的解耦难度和时间复杂度。
2.变量复合触觉传感器：当电子皮肤与外界环境接触时，需要通过触觉感知目标环境的多种物理信息，如果使用不同的检测传感单元，必会造成空间的占用和成本的增加，这就要求触觉传感器能够实现多种变量的复合检测功能。例如，通过将构成压敏薄膜的导电高分子复合材料直接硫化在裸露的铜箔线圈之上形成一体化结构，就可以通过线圈非接触感知间隙的变化，通过受压时阻抗变化感知压力的变化。
3.低功耗及无源化触觉传感器：传统的传感器单元工作需要电源供电，额外的电源将给整个系统带来负担，所以低功耗、无源化的传感单元成为发展趋势。例如，采用静电纳米发电机作为传感单元，可以将外界施加的机械能转变为电能进行自供电，这样不但节约了能源，降低了使用成本，而且使电子皮肤更为小型化、集约化，更利于其推广到更多场合。
（三）电子系统及物联网技术：电子皮肤作为一个智能电子系统，需要采集外部环境中多种触觉信息，主要由供电单元、传感器单元、天线等组成[4]。
为了使电子皮肤能更接近人体感知操作，实现反馈控制，需要通过传感器网络和数据传输网络，实现物物相连，使之作为一个智能化的感知系统发挥整体功能：
1.构建传感器网络：随着应用的增加，单一的触觉传感器已经不能满足需求，而如何在尽可能小的空间内，在同一基底上分别设置压力、温度、湿度等多个传感器，使之互不干扰，共同构成一个能同时检测多种信息的柔性复合式传感器网络，已经成为电子皮肤研究的重要方面。
2.构建物联网络：物联网即“物物相连的互联网”，其拓扑结构可以分为感知层、网络层和应用层三层。电子皮肤系统作为感知媒介，属于物联网中的感知层，其在物与物之间的信息交换和采集方面发挥了重要作用；通过无线传输网络等技术进一步地将电子皮肤感知的信息传递到医疗、运动、安全等不同应用层进行智能决策，即构成了一个层次分明的完整物联网络。这样的物联应用已经受到了越来越多的重视，是未来一段时间技术趋势的发展方向。
三 对电子皮肤技术发展的建议与展望
进入21世纪以来，随着技术难题的不断被攻克和关键元器件性能的不断提升，电子皮肤技术已经进入了一个高速发展时期。对于中国如何能够在该技术领域中不断取得研究成果，从而推动相关产业发展，笔者有如下建议：
1.紧跟技术潮流，提升核心竞争力。与中国电子皮肤相关领域专利申请量激增的直接体现不同，欧美各国越来越注重利用其长期积累的技术优势，引领行业发展，逐步完成在华的专利布局，完成对关键技术的封锁。在这种情况下，中国若想突破重围，所申请专利的领域就不能仅局限于外围化、边缘化，必须不断开拓具有自主知识产权的核心技术，从而提升国际竞争力。
2.降低成本，走产学研一体化道路。现有的电子皮肤系统仍存在使用时间不够长、单价较贵的局限。对于中国这样一个人均收入偏低的发展中国家来说，使用成本过高，难以将其推广到普通群众中广泛使用。未来应充分利用高校、研究所的智力优势，努力向模块化和标准化方向推进，早日实现大批量、商品化生产目标，再以生产带动学术与研究，形成良性循环。
3.推广应用，不断完善产业链建设。在短期技术水平难以赶超西方国家的情况下，中国可以在产品应用发面多下功夫，将电子皮肤与医疗器械、运动康复、工业自动化更为紧密地结合，形成细分行业的完整产业链。同时，建立起长远的发展规划，确立符合中国实际情况的行业标准，在推广和应用中给予适当的政策倾斜，以应用带动研发，为将来实现技术超越做好准备。
参考文献
[1] Mallory L.Hammock. 25th Anniversary Article： The Evolution of Electronic Skin （ESkin）： A brief History， Design Considerations， and Recent Progress[J]. Advanced Materials， 2013，25（42）：5997-6038.
[2] Xue wen Wang. SilkMolded Flexible， Ultrasensitive， and Highly Stable Electronic Skin for Monitoring Human Physiological Signals[J]. Advanced Materials， 2014，26：1336-1342.
[3] 苗军，洪凡，陈慧琪，等.全球石墨烯技术领域专利计量分析[J].新材料产业，2014，（1）： 42-49.
[4] DaeHyeong Kim. Epidermal Electronics[J]. Science，2011，333（12）： 838-843.