第4代超材料技术与智能皮肤

  在2022年11月份举办的珠海航展上光启公布了第4代超材料技术。第4代超材料不但使光启的产品上了一个大台阶，而且将对超材料在民用领域的应用带来非常深远的影响。本文先简单谈谈其在智能皮肤方面的应用前景。

  光启在2023年半年报中对超材料的定义是：超材料（metamaterials）是一种特种复合材料或结构，由人工微结构组成，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质，在电学、磁学和光学等方面具备天然材料所不具备的特殊性质。

  用通俗的表达就是：超材料的本质就是利用某种技术手段重新编辑材料内部的分子和原子结构，使其具备传统材料所不具有的特殊性能。

  光启超材料1~3代所使用的基材是铜箔之类的坚硬易脆的材料，也就是说当时光启只能在比较坚硬的材料上采取某种特殊手段编辑材料内部的分子和原子结构，这使得超材料的应用面有一定的局限。到了超材料第4代，光启的生产线“融合了激光直写曝光技术和高精度线路刻蚀技术，能够实现高精度光阻贴合、线路直写曝光、高精显影刻蚀、线路检查测量等全流程生产。”

  即超材料第4代技术采用了众多的芯片生产技术，还直接使用了大通量的光刻机等设备。所不同的是芯片是通过光刻机的光刻和蚀刻功能在坚硬的硅片上做出集成电路，光启只是利用光刻机的光刻和蚀刻功能实现在柔软的材料上编辑材料的分子和原子结构，使其具有超材料功能。

  能够在各种柔软的高分子材料如芳纶纸、碳纤维织布等上面进行纳米级别的材料内部结构编辑，而且还能进行立体（三维）编辑，这是第4代超材料技术最具价值的进步。

  第4代超材料技术不但能在柔性基材面上超精细地编辑材料内部的分子和原子结构，而且编辑的深度还能达到三维水平，因而使其性能指标比第3代技术有10倍数量级以上的提高（具体达到什么指标是保密的）。

  在超材料1~3时代，生产超材料产品的基材主要用铜箔。这些铜箔本身没有抵抗外部环境的物理性能，只能通过光启自创的复合材料制造工艺将其做成结构件。这套结构件生产工艺非常复杂，要求极端严谨细致， 总共有十几道工序，一些工序如层铺和装配还完全依靠人工操作，是超材料结构件生产成本的重要组成部分之一。

  在超材料1~3时代，产品的最大尺寸是有限的。在新闻图片上看到的样品，尺寸大概相当于50厘米到80厘米的地砖那样。2021年投资者在深圳银星基地光启的工厂里见到的超材料产品就是如此，感觉比图片里的产品还要小。

  这一尺寸的限制，使得光启在面对比较大尺寸的结构件时，不得不采取拼图的方法来完成，两个超材料产品的接缝处处理异常复杂，成为大尺寸结构件生产的又一个卡脖子节点。

  如果说超材料3.0产品生产过程犹如生产瓷砖的线产品生产过程就犹如布匹印花，而且是精度达到纳米级别的连续生产。

  智能皮肤是一种模仿人类皮肤特性和功能的高科技材料，具有高度的柔韧性和可拉伸性，可以像真正的皮肤一样贴合在各种表面上。它能够感知和响应外部环境，如对外部环境的探测（远处物体的类型、距离、形状等）和接触感觉（如压力、温度、湿度等），并将这些信息转化为可读的信号传给控制系统。过去这类信息都是靠嵌入或者挂靠于智能体外表（皮肤）的各种类型的探测传感器和触觉传感器实现的，现在，如用超材料技术将这些功能完全融入智能体的外表（皮肤）内，不仅提高信息传感效率和可靠性，还能降低智能体的制造成本。

  1、逼真度：人形机器人的皮肤应尽可能地像真实人类的皮肤那样具有自然的外观和质感，这有助于提升人们的安全感和接受度。

  面对人形机器人的强烈需求，国内部分厂商开始布局柔性触觉传感器生产，但还处于早期阶段，多功能柔性触觉传感技术仍是国内稀缺技术。

  对光启来说，在功能性高分子柔性材料上赋予对周边环境的感知功能已经驾轻就熟，至于赋予触觉功能，还没见有报道。建议光启先在内部组织研究，条件成熟了再对外寻找合作企业。至于成本方面，由于智能皮肤的市场需求量是很大的，只要能够大规模量产，成本不会很高。由于取代了各种各样的传感器，有可能综合成本还更低。

  近年来，智能机器人技术快速发展，并已经开始进入人们的日常生活，将在未来智慧服务系统中发挥越来越重要的作用。然而，现有智能机器人面临多种挑战：在感知方面，主要采用光学传感器，因此对灯光和颜色非常敏感、感知距离和感受视野有限，并且无法感知障碍物背后的对象；最新发展的若干智能机器人安装了毫米波雷达等透视性传感器，但受制于机器人有限的容积，这些透视性传感器的感受视野也非常有限，严重制约了机器人的性能。在人机交互方面，基于光学传感器的智能机器人通常会遭遇隐私伦理方面的难题。在信息处理方面，与所有终端设备相同，运动机器人不仅能源非常有限，而且其算力受到严重制约，从而极大制约了轻便型移动机器人（如无人机）的功能。在信息安全方面，在云支点边缘计算框架下，组网机器人涉及云中心与终端之间大量的信息交互，因此不仅增加了机器人通信的复杂性，而且存在物理层信息安全方面的隐患。为了解决上述难题，该研究将智能超材料与传统机器人相结合，挖掘了智能超材料在控制、通信和感知方面的强大能力，提出了智能超材料机器人的概念。在系统层面，智能超材料机器人主要由两部分组成：以智能超材料形成的机器人脑或超材料脑；以传统运动机器人形成的机器人四肢。机器人脑主要有三方面功能：i）大视野、透视性感知。智能超材料具有大孔径和分布式特性，因此，机器人脑具有透视性大视野感知能力。图下所示，智能超材料机器人采用微波进行透视性大视野感知，能透视60厘米的承重墙，对人体进行三维高精度点云感知。ii）云计算能力。智能超材料扮演云中心角色，避免了移动终端在能耗与算力等方面的诸多难题，具有强大的信息处理能力。iii）私密性通信。智能超材料在直接调制方面的强大能力，机器人脑与机器人四肢之间采用高度保密的无线通信方式进行信息交互。值得说明的是，与传统终端机器人不同，超材料机器人的超材料脑不仅负责感知功能，而且承担大负荷的信息处理和决策，其四肢主要负责接收来自机器人脑的指令，并执行所需的机械任务。从信息安全的角度，超材料脑与机器人肢体之间仅交互简单的指令，具有非常好的信息安全保障。该研究成果为解决现有智能机器人在感知、算力、信息安全和能耗等方面的挑战性难题提供了新思路，为推动未来智慧服务系统建设、智慧物联网、数字孪生等领域的发展提供了关键技术支撑。另外，智能超材料机器人与“感知-计算-通信”一体化的发展路线高度契合，将为该领域的发展会提供非常有价值的支撑。智能超材料机器人涉及物理、材料、数据科学、信息与系统等诸多学科，有很多开放的问题需要在未来仔细解决。该研究论文得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。北京大学博士生赵晗汀、胡生国和张洪瑞为论文共同第一作者，北京大学李廉林教授、东南大学崔铁军院士和法国雷恩大学Philipp del Hougne教授为论文共同通信作者。网页链接山水又一城02-28 17:07

  林大感觉更多是坐而论道，探索了光启超材料以后可能的民用应用方向或者说突破方向，而实际上光启当前的技术可能还差得远或者说还有一定距离。

  实际上，光启当前的科研和生产仍然紧紧围绕着君工方向，在消息披露方面也非常受限。有没有最新的大订单投资者都还在苦苦等待。营收及利润的绝对值都迟迟上不了一个大台阶，和大家想象的那种爆发性增速相差太远。

  就股价来说，股价的反弹幅度在开始因为连续三个涨停板而领先，现在又因为横盘调整而滞后了。估计14左右还要磨一段时间。突破可能在三月中旬吧，天线测试事件催动。

  在2022年11月份举办的珠海航展上光启公布了第4代超材料技术。第4代超材料不但使光启的产品上了一个大台阶，而且将对超材料在民用领域的应用带来非常深远的影响。本文先简单谈谈其在智能皮肤方面的应用前景。一、第4代超材料的绝技---超精细柔性电子光刻光启在2023年半年报中对超材料的定...