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。
（上面两幅图案是以铜箔为基材的第4代超材料产品）
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。
二、第4代超材料技术的产业链特色
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）。
除此之外，第4代超材料生产线还有如下特色：
1、生产工艺优化使得产品成本大幅降低
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。
到了第4代超材料技术，由于可以使用像芳纶纸这样具有非常高的强度和刚性的功能性高分子材料作为基材，一些产品可以不经过复合材料工艺就可以具备一定的能够抵御外部环境的物理功能。这就大幅度地降低超材料产品的生产成本。
我曾见过一个第4代超材料产品。该产品是通过超材料技术处理过的芳纶纸，再通过预浸料环节将多层芳纶纸贴合起来，然后进行拉伸技术形成蜂窝。该产品很轻，具有一定的物理性能，不像铜箔那样需要经过复合材料处理才能立起来。
2、产品的尺寸不再受限制
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。
到了第4代超材料技术，由于采用了完全不同的工艺路径，所生产的超材料产品从理论上说可以无限大（当然至少从宽度上来说会受到生产设备的物理尺寸的限制），还可以按照结构件的外形需求生产出成型产品。
我曾见过另一个超材料4.0产品，尺寸非常大，犹如人民日报那样，颜色较深，可以随意卷起来，表面有点像帆布那样的粗糙，不用放大镜看不清上面的镂花。
3、能够连续地生产超材料产品
如果说超材料3.0产品生产过程犹如生产瓷砖的话，超材料4.0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。
这一连续生产过程对提高超材料产品产量作用巨大。
如上所述，第4代超材料技术能使芳纶纸、碳纤维织布等各种功能性高分子材料具备人们所需求的特殊功能，由于采用了全新的工艺使其生产环节大为减少，产品成本大幅降低，产量大幅增加，这将极大地推进超材料在各行各业中的应用。其中一个主要应用方向就是能够仿真智能皮肤。
所以光启一再说：“第4代超材料代表着光启的未来！”
三、智能皮肤
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。
智能皮肤具有广泛的应用领域。
1. 医疗保健：智能皮肤可以用于监测患者的生理参数，如心率、血压、体温等，以及检测皮肤病和伤口愈合情况。它可以通过无线传输数据到医生的计算机或移动设备上，实现实时监测和诊断。
2. 机器人：智能皮肤可以使机器人具有更灵敏的触觉感知能力，帮助机器人更好地与周围环境进行交互。
3. 可穿戴设备：智能皮肤可以嵌入到衣物、手套和其他可穿戴设备中，提供更舒适和自然的用户体验。它可以模拟真实的触感和纹理，增强用户的沉浸感。
4. 虚拟现实：智能皮肤可以应用于虚拟现实领域，模拟真实的触感和纹理，增强用户的沉浸感。它可以与虚拟现实头盔和其他设备配合使用，提供更真实的感觉体验。
5. 人机界面：智能皮肤可以作为一种人机界面，使人们能够更直观地与电子设备进行交互。例如，通过触摸智能皮肤上的不同区域，可以实现翻页、调节音量等操作。
总之，智能皮肤具有广泛的应用前景，可以在众多领域发挥重要作用，为各个领域带来创新和发展机会。
下面着重谈一下人形机器人所需要的智能皮肤。
四、人形机器人与智能皮肤
人形机器人是一种仿生机器人，它们的外形和人类相似，能够完成各种任务。这些机器人通常由电机、传感器、计算机等组成，可以通过编程或人工智能来控制它们的动作和行为。
人形机器人对皮肤有几个最基本的要求：
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。
2、灵活性与耐用性：人形机器人的皮肤材料需要足够灵活以模拟人类的运动，同时还要有足够的耐用性来抵抗日常使用中的磨损。
3、感知度：人形机器人所需的皮肤对外部须有相当的感知度，既有触觉感觉又能对周边环境有感知，并能将这些感知信息传输给机器人内部的执行器进行处理。
前面两个要求通过选择适当的功能性高分子材料应该可以解决。第3个要求又分两个层次：
（1）、皮肤本身要有相当的接触感觉，如温度、压力和疼痛等，目前主要是通过在皮肤中嵌入各种触觉传感器来解决。
（2）、人形机器人对周边环境的感知，依靠现有的皮肤技术是无法解决的，还得依靠在机器人内部挂超声波传感器、视觉传感器、激光传感器等传感系统捕捉周边环境的信息。这样不但增加了机器人的重量，而且在一些比较细小的部位还难以安置这些传感器。
但如采用第4代超材料技术制作的智能皮肤，不仅可以同时解决人形机器人皮肤的上述问题，还将成倍地提升产品性能及最终的用户体验感。
不只是人形机器人对这种智能皮肤有非常强的需求，各种以与人类进行情感交流和陪伴为主的小型智能体也应有这种需求，未来的市场空间会非常大。如最近在日本非常流行的号称“什么都不会做”的交互型机器人NICOBO，如果使用这种智能皮肤，是否更懂人类的喜乐哀怒，更宠萌可爱，效果更好？
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。
林 中 行
2024年2月28日