$兴发集团(SH600141)$ $新安股份(SH600596)$
硅胶皮肤是目前仿真机器人领域最为关键和主流的技术之一。它直接决定了机器人外观的逼真度、触感的真实性以及人机交互的体验。
下面我将从多个方面详细阐述硅胶皮肤在仿真机器人中的应用。
一、为什么选择硅胶？
硅胶之所以成为仿真机器人皮肤的首选材料，主要得益于其以下几个突出的优点：
1. 极高的仿真度：
· 视觉上：硅胶的透明度、折射率和质地非常接近人类皮肤。通过调配颜料、植入细微的毛发、血管、斑点、痣等，可以创造出以假乱真的外观。
· 触觉上：硅胶的柔软度、弹性、温度和阻尼感都与真人皮肤高度相似，能提供非常自然的触感。
2. 优异的生物相容性和安全性：
· 医用级硅胶对人体无害、无过敏反应，这使得它非常适合用于与人类密切接触的机器人，如医疗康复、老人陪护机器人等。
3. 良好的可塑性和耐用性：
· 硅胶可以浇筑成任何复杂的形状，完美贴合机器人的内部机械结构。
· 它具有良好的抗撕裂性、耐磨损性和耐老化性，能够承受长期的反复运动和触摸。
4. 易于着色和加工：
· 硅胶可以很方便地调入各种肤色颜料，并且可以通过喷涂、手绘等多种工艺进行细节上的精雕细琢。
二、核心技术挑战与解决方案
尽管硅胶皮肤优势明显，但要达到极致的仿真效果，仍面临许多技术挑战：
1. 表情与运动的自然性：
· 挑战：内部的电机（舵机）或气压驱动器拉动硅胶皮肤产生表情时，如果设计不当，会出现不自然的褶皱、僵硬感或“恐怖谷效应”。
· 解决方案：
· 仿生结构设计：模仿人类面部肌肉的分布和运动方式，在硅胶皮肤下层设计复杂的、分区域的锚定点（附着点），使驱动更平滑、更局部化。
· 多层复合结构：最先进的硅胶皮肤通常不是单层的。它可能由外层皮肤（负责外观）、下层真皮层（内含血管纹理）、以及皮下组织层（由更软的超弹性材料制成，如Ecoflex凝胶，用于模拟脂肪和缓冲）构成。这种结构能吸收机械运动产生的突兀力，让表情更柔和自然。
2. 皮肤质感的再现：
· 挑战：人类皮肤有细微的纹理、毛孔和汗毛。
· 解决方案：使用高精度的3D打印模具来制造硅胶皮肤，模具内部的纹理会精确地复制到硅胶表面。汗毛则采用极细的医用级纤维一根根手工植入，这是一个极其耗时但必要的工序。
3. 长期耐用性与维护：
· 挑战：硅胶长期暴露在空气中会沾染灰尘、变色，反复拉伸会产生疲劳和撕裂。
· 解决方案：研发更高强度的有机硅复合材料，并为其表面涂覆保护性涂层，使其具备抗紫外线、防污、甚至抗菌的特性。同时，硅胶皮肤通常被设计成可更换的模块，以便于清洁和维护。
4. 集成传感功能（电子皮肤 - e-skin）：
· 这是未来的核心方向。单纯的硅胶只有外观和触感，要让机器人真正“感知”世界，需要将传感器集成进去。
· 方法：在硅胶皮肤中嵌入或印制微型传感器，包括：
· 压力传感器：让机器人感知触摸的力度和位置。
· 温度传感器：感知环境和人体的温度。
· 应变传感器：感知自身皮肤的拉伸和形变，用于更精确地控制表情。
· 挑战：传感器的嵌入不能影响皮肤的柔软度和外观，并且需要解决布线和信号传输的难题。
三、应用场景
1. 高仿人机器人（Androids）：
· 例如日本大阪大学石黑浩教授团队的Erica、Geminoid系列机器人，以及中国香港的机器人“索菲亚”。它们是硅胶皮肤技术的集大成者，主要用于科学研究、媒体互动、展览展示等。
2. 医疗康复与陪护：
· 外表温暖、触感舒适的机器人更能被患者和老人接受，用于提供心理慰藉、辅助治疗和日常陪伴。
3. 高端客户服务：
· 例如酒店前台、商场导购等场景，拟人化的形象能提升服务体验。
4. 影视特效与娱乐：
· 用于制作特效道具、 animatronics（电子机械动画），创造逼真的虚拟角色。
四、未来发展方向
1. 功能集成化：发展更成熟的 “电子皮肤” 技术，大规模集成多种传感器，甚至集成加热元件以模拟体温、微流体通道以模拟出汗等生理现象。
2. 自修复材料：研发像人类皮肤一样具备自愈合能力的材料，微小划痕可以自动修复，极大提高耐用性。
3. 个性化与快速制造：结合3D扫描和3D打印技术，为机器人定制基于特定真人外貌的硅胶皮肤，并缩短制造周期。
4. 降低成本：目前高端硅胶皮肤的制作全靠大师级工匠手工精修，成本极高。未来需要通过自动化生产（如机器人自己给自己做皮肤）来降低成本，推动普及。
总结
硅胶皮肤是连接冰冷机械与人类情感世界的关键桥梁。它不仅仅是一种材料，更是一个融合了材料科学、机械工程、仿生学、艺术雕塑和电子工程的复杂系统。虽然目前的技术已经非常惊艳，但要达到与人类皮肤完全无异且功能完备的水平，还有很长的路要走。它持续的进化，正不断地推动着仿真机器人向打破“恐怖谷”、融入人类社会的目标迈进。
兴发集团是我国在有机硅行业拥有专利最多的上市公司，具有较强的研发能力，新产品开发走高端路线，主要解决进口替代、卡脖子、市场急需新产品的产业化。
新安股份是我国有机硅下游产品最多的企业，对硅胶皮肤用材料有较深的研究。