电子皮肤：人形机器人交互的关键
思瀚产业研究院    2025-11-22

1、电子皮肤是人形机器人的触觉传感系统

电子皮肤是模仿天然皮肤而形成的柔性触觉传感器系统。皮肤是人体最大的器官，是一种多功能传感器，能够清晰地感知外部环境的变化，对人类的生存和发展具有重要的意义。而电子皮肤则是一种模拟天然皮肤功能的仿生柔性触觉传感器系统，可以模仿人体皮肤的触觉传感功能和灵活性能，附着在人体皮肤或机器人等表面，感知压力、温度等各种刺激，在智能医疗、智能控制系统和智能机器人等领域显示出广阔的应用前景。

近年来，人形机器人高速发展，而具有高柔性的电子皮肤触觉传感器阵列能覆盖于机器人的多部位，可以媲美甚至超越人类皮肤的感觉功能，有效地实现机器人的触觉感知，对人形机器人有着不可替代的作用。

对应人类触觉传感系统，机器人触觉感知系统被分为传感层、传输层、控制层三个模块。

第一层——传感层：机器人的传感层，对标人类触感系统的感受器，是整个系统最基本、最底层的结构，主要由传感器和传感器信息的偏置、调理、数据采集系统构成。

第二层——传输层;传输层主要是将物理信号转化为数字信号，并传输到数据分析程序，这个过程与神经中枢传递动作电位信号的逻辑相似。

第三层——控制层：控制层是机器人的“大脑”，利用数据分析工具和算法，对数字信号进行分析和计算，系统会构建用于感知交互对象的数据模型和特性模型，并控制机器人发出操作命令，完成相应的抓夹、避障、工具操作等动作。

为满足各领域的应用需求，电子皮肤应具备柔韧性和耐用性强、灵敏度和分辨率高等特性。电子皮肤的设计目标是模拟人类皮肤的特性，以实现更高层次的感知能力和接近人类触觉的表现。因此，电子皮肤应注重感应压力、温度、湿度和应变等功能，以使其能够对外界环境做出敏感响应，对压力响应范围、灵敏度和分辨率提出了较高水平的要求。

此外，为了实现与人类皮肤相似的模拟效果，电子皮肤通常需要具备较大的覆盖面积，以涵盖更广泛的触摸区域，还需要具备较高的柔性和可适应性，以便与不同形状的物体接触，实现更加贴合的触觉体验。与此同时，电子皮肤在使用过程中难免会遭受意外的机械损伤，因此需具备较强的耐用性以及自愈能力，以此增加电子皮肤的使用寿命、长期稳定性和可靠性等。

电子皮肤从原理上可以分为压阻式、电容式、压电式、光电式、电感式五大类。最常用的是压阻式、电容式、压电式，比较新颖的是光学式、电感式。

(1)压阻式触觉传感器：它是根据半导体材料的压阻效应而制成的器件，其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

(2)电容式触觉阵列传感器：其原理是外力使极板间的相对位移发生变化，从而使电容发生变化，通过检测电容变化量来测量触觉力。

(3)压电式触觉传感器：在压力作用下压电材料两端面间出现电位差，通过压电效应可以将外部的压力机械信号转化为电信号，实现对物体表面触摸和压力的感知。

(4)光电式触觉传感器：基于全内反射原理进行研制，通常由光源和光电探测器构成。当施加在界面上的压力发生变化时，传感器敏感元件的反射强度和光源频率也会相应发生变化。

(5)电感式触觉传感器：利用电磁感应原理把压力作用转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出。

不同类型的电子皮肤各具特点，适用于不同的应用场景。例如压阻式传感器结构，结构简单、成本低，适合于基础的压力映射和触觉反馈系统，可应用于工业自动化、汽车电子等领域；相比之下，电容式传感器具有灵敏度高、响应快速等特点，适合于高精度的触觉感测，如细微的纹理和形状识别，可应用于医疗设备、消费电子等领域；而压电式传感器具备自供电的特性，适用于在恶劣的环境中，难以及时更换电源的场景，可应用于爆炸冲击、燃烧机发动检测等场景。

在人形机器人领域，压阻式传感器是目前主流的技术路线，能有效平衡工艺难度、成本和量产规模等，特斯拉、汉威科技、福莱新材等知名企业均在压阻式传感器技术进行了相应的布局。除压阻式技术路线外，在电容式、压电式、磁性式等触觉传感技术上，国内企业也分别进行了相应产品的研发生产。

总体而言，柔性触觉传感器技术路线的选择，本质是灵敏度、成本与可靠性的三角博弈，因此我们预计未来多种技术路线仍将长期并存，将根据实际应用场景选择适合的柔性触觉传感器，以寻求三角博弈的平衡。

2、材料、制造、算法三大壁垒，构筑行业护城河

电子皮肤的技术壁垒体现在材料、制造工艺和算法三个维度，这是决定企业竞争力的核心因素。材料端：电子皮肤一般是由柔性基材、活性功能层、介电材料、电极组成。柔性基材主要为电子皮肤起到承载衬垫的作用，需具有理想的柔韧弹性与力学强度。现有基底材料包括聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。

活性功能层可将环境刺激转换为可检测的电信号，而具有优异的机械性能和电子特性的活性材料是决定活性层性能的关键。常见的活性材料主要分为自身具有高导电能力材料、高弹性导电复合材料和压电材料三大类，包括：碳纳米管基活性材料，石墨烯基活性材料等。介电材料通常位于活性功能层的两侧用于接收和传输电信号。

目前，主要的介电材料有复合纳米导电填料、导电聚合物、离子液体等。电极是电子皮肤中输入和导出电流的两个端极，也是影响其灵敏度和稳定性的重要因素，通常选用具有优异导电性能和机械性能的石墨烯、碳纳米管等碳材料以及柔性复合材料。

聚二甲基硅氧烷性能优异，是目前主流的柔性基材。柔性基材作为决定人形机器人电子皮肤弹性形变性能的关键材料，是未来电子皮肤发展的核心。PDMS 具有良好的生物可降解、耐腐蚀、柔软透明、低弹性模量与高弹性、良好的抵抗形变能力，可以非平面任意弯曲，可以与传感器件牢固发生黏结与集成，是电子皮肤目前主流的基底材料。

PI 材料具有优良的耐腐蚀、耐磨、耐高温、力学与电学绝缘性能，性能上看是电子皮肤优选基底材料，但其成本较高，难以规模化生产；PET 材料有着较好的耐磨尘、抗冲击性、电绝缘性等性能，但本身具有较高的初始模量，在柔性基材运用性能方面没有 PDMS 材料理想。

电子皮肤材料要求高，如何兼具高灵敏度和宽测量范围、提升测量一致性等问题亟待解决。电子皮肤作为高度仿生的柔性触觉传感器，需同时具备高柔韧性、高耐用性、高灵敏度和高精确性，同时还要具备良好的环境适应性等其他特征，对材料要求高。目前市场上的材料虽然取得了一定的进展，但在模拟人类皮肤功能的全面性上仍有较大差距。目前，电子皮肤很难同时实现兼具高灵敏度和宽测量范围等性能。此外，电子皮肤测量的一致性较难保证，并且材料在经过多次使用以后，测量结果产生的漂移和误差会越来越大。因此为满足人形机器人在复杂工作环境中的工作需求，电子皮肤生产厂商仍需对材料进行进一步的优化完善。

目前电子皮肤的主要制造工艺包括光刻与硅蚀刻技术、3D 打印技术、喷墨打印和丝网印刷。光刻与硅蚀刻技术适用于高精度制备微结构的传感器，有助于提升传感器分辨率、灵敏度和响应范围，但工艺复杂，成本较高。

3D 打印技术适用于复杂立体结构柔性传感器的制备，无需传统模具，材料兼容性与可扩展性强，但当前可打印的材料种类有限，精度较低，量产适应性较差。喷墨打印适用于大面积批量化的传感器制备，能大幅简化制备流程，但多层图案对准精度较低，难以直接形成高厚度的功能层。丝网印刷则在大面积批量化、高效率低成本等方面具有优势，但在稳定性和一致性上存在不足。

制造端：制造工艺是行业技术壁垒的关键所在，高精度、低成本生产是未来工艺优化的方向。从制造工艺来看，电子皮肤制造成本价高，大面积部署困难。制作过程通常涉及到复杂的加工工艺，制作成本一般比较高；此外，所选用的材料往往都是新型材料，制备过程复杂，价格也比较昂贵。高昂的制作成本限制了触觉传感器的大批量生产，未来如何低成本、高精度的进行电子皮肤生产，以实现批量化布局仍会是产业的重中之重。此外，触觉传感器扩展后的大量走线，基底材料等的拼接、电子电路的连通都会让测量过程有更多未知干扰，进而造成测量数据失真，因此电子皮肤的拼接、串扰方面也需进一步改进。

算法端：标定机制复杂，需利用图形处理系统和 AI 来完成传感器的纠偏和标定。电子皮肤的一次测量往往会涉及三维力，甚至温度、硬度等多种物理量，因此电子皮肤的标定机制远复杂于其他类型传感器。从触觉传感器的标定方法来看，传统标定方法是利用数学模型来计算物理量，但是对于高精度、干扰性强和变量较多的物理量标定场景，数学模型会异常复杂，但精度却不一定保证。因此，现在会利用图形处理系统和 AI 来完成传感器的纠偏和标定。利用大量的实验和 AI 情景模拟，形成触觉传感器的标定数据库，实际测量中，AI 能够直接从数据库调用参数，来完成触觉传感器的标定。

3、多模态感知、阵列化是电子皮肤未来发展核心趋势

多模态感知电子皮肤可针对多方面刺激做出精准响应。单一传感机理的柔性触觉传感电子皮肤很难对外界多方面的刺激同时做出准确响应。为了解决这一问题，并且模仿具有广泛机械性能和多种传感能力的人体皮肤，解耦多模的概念随之提出，即利用同一器件基于不同的传感机理检测不同信号来实现对多种信号进行多模检测。

柔性解耦多模触觉传感电子皮肤可以同时检测温度、压力、湿度等多种不同刺激，并对信息进行解耦，从而获得准确、全面的数据。根据检测机理的不同，柔性解耦多模触觉传感电子皮肤可以分为热电&压阻式、热电&压电式、热阻&压电式、热阻&电容式等，应用于各种不同情况的检测。

阵列化是电子皮肤准确感知的关键。单个传感单元检测到的压力信息非常有限，无法满足大面积测量的需求，因此需要将传感单元阵列化，以获得足够的压力信息。以压阻式柔性触觉传感器为例，传感器阵列工作时，传感单元受到外部压力，对应的上、下电极层通过中间的压阻材料导通，此时压阻材料的电阻随外部压力的变化而改变，后续信号处理电路根据电阻大小计算出对应传感单元受力大小，根据传感单元受力的位置信息，可进一步得到接触物体的轮廓信息。在传感阵列中单位面积内传感单元数量越多，即传感阵列分辨率越高，获得的物体轮廓信息越准确。

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