触觉传感器：注重技术创新，MEMS 技术优势明显
思瀚产业研究院    2024-11-01

触摸为人类进行协调交互的主要方式之一。触觉将压力、振动、疼痛、温度等多种感觉信息传递至中枢神经系统，帮助人类感知周围环境，避免发生危险。与视觉和听觉相比，人类的触觉在处理物质特征和细节形状方面更胜一筹。

人类的触觉基于感觉输入部位区分为皮肤和动觉。皮肤感知系统接收来自嵌入皮肤的感觉输入，动觉感知系统接收来自肌肉、肌腱和关节的感觉输入。在此基础上，可细分为皮肤、动觉、触觉三种感觉系统。

其中，皮肤系统通过与物体接触的刺激信号传输至中枢神经系统获得感知；动觉系统主要通过肌肉、关节和皮肤的传入信息以及大脑可用的肌肉效能的相关联系提供有关静态和动态身体姿势的信息；触觉系统利用来自皮肤和动觉系统关于物体和事件的重要信息。

与人类触觉基本无异，机器人的触觉传感系统可以帮助机器人理解现实世界中物体的交互行为，通过接触来测量在预定区域内的物体属性的装置或系统。随着配置的先进程度，能提升机器人触觉应用能力，能有效的感知周围环境并输出相应精确信息。根据《智能机器人用触觉传感器应用现状》，机器人的触觉感知过程被划分为传感、感知、动作三个不同层次的功能块，这些功能相对应的是硬件上的功能工具（感知、控制、行动）。

触觉感知过程中，将从外部的压力、震动、热刺激转化为信号输入到触觉传感器的元件。将采集数据进行处理后传输到更高级别的感知元件以构建模型、感知交互对象属性。在此过程中，触觉将融合听觉、视觉感知，结合对机器人施加命令，以便于控制机器人完成所需任务操作。

机器人需多种传感器相互配合以进行工作或完成智能交互任务指令。具体任务来看，使用触觉信息（接触点估计信息、表面法向和曲率等）作为机器人的控制参数，以提高操作精确度进行操作任务；通过测量法向静态力来检测物体滑动情况进行抓握任务（将接触力的测量值用于辅助抓握力控制）。

结合前两种任务方式，加以判断施加操作用力的方向，通过调节以达到用力平衡，保证抓握的稳定性。同时，叠加减速器、电机、力传感和视觉传感等核心零部件相互作用来完成智能交互任务。如特斯拉在 X 平台展示擎天柱进行电池分拣任务。

触觉传感技术多样化发展，人形机器人已使用指间传感器。为应对作业多样化发展，触觉传感技术发展提速。最早的机器人触觉传感技术研究可追溯至 20 世纪 70 年代。随后 80 年代传感器技术飞速发展，基于电、磁、超声波等原理和方法的传感器陆续面世。90 年代开始，阵列式传感器和集成式传感器为触觉传感技术研究提供更高维度的数据源。

进入 21 世纪，硬件平台和软件分析技术愈发成熟，助推触觉传感技术加速发展。同时，机器人作业环境不断向非结构化、复杂化发展，面向非工业环境的应用需求逐渐涌现，不断拓宽触觉传感器下游应用领域。目前，触觉传感器主要下游应用领域有机器人、医疗、智能家居、航天航空、自动驾驶等。

从技术原理角度，触觉传感器有压阻式、光电式、电容式、电感式、压电式。

压阻式触觉传感器：利用弹性体材料的电阻率随压力大小变化的性质制成。当外力作用在传感器时，弹性体发生形变，导致电阻变化，进而将机械刺激转化为电信号。下游应用领域包括工业自动化、汽车行业、医疗设备、消费电子等。

光电式触觉传感器：采用一种崭新的测量压力手段，是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会相应发生变化。下游应用领域包括智能家居、安全系统等。

电容式触觉传感器：在有外力作用时，其两极板间的相对位置间距发生变化，从而导致电容变化，通过检测电容变化量来获取受力信息。下游应用领域包括智能家居、安全系统等。下游应用场景包括触摸屏技术等。

电感式触觉传感器：在外力作用下发生磁场变化，并把磁场的变化通过磁路系统转换为电信号，从而感受接触面上的压力信息。下游应用场景包括位置检测、金属探测等。压电式触觉传感器：利用压电效应，当材料受到外力作用时，产生的电荷被转换为可测量的电信号，用于判断施加的力或振动。但随着时间的推移，压电式触觉传感器电压输出值会降低，因此适合检测动态力。下游应用场景包括振动监测等。

目前，国内外市场仍以海外龙头企业主导，2023 年全球触觉传感器市场规模为 13.46亿美元，预计 2030 年市场规模将达到 30.70 亿美元，年复合增长率约为 12.51%。由于各技术原理的优劣各不相同，在工业自动化场景或在机器人应用中所使用的场景均有所不同。其中，因压阻式触觉传感器制作成本低、高灵敏度等因素，其应用最为广泛。根据 Exactitude Consultancy，2022 年全球触觉传感器下游应用领域占比前三分别为制造业（42%）、航天航空&国防（27%）、汽车行业（17%）；使用率较高的触觉传感器分别为压阻式触觉传感器（37%）、电容式触觉传感器（28%）。

微机电系统技术（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统,能够在极小的空间内实现复杂的功能。MEMS 触觉传感器技术是其中一个重要分支，通过微型化传感器感知物体的表面特性，如硬度、粗糙度和压力等，为智能机器人、医疗设备和可穿戴设备等应用提供关键的触觉反馈。与传统传感器相比，MEMS 传感器具备体积较小、成本低、灵敏度高、响应快等特点，广泛应用于消费电子、汽车工业、医疗设备、工业自动化、机器人等领域。

MEMS 传感器市场规模保持增长，海外企业占据主导地位。根据 Mordor Intelligence，预计 2024 年全球 MEMS 传感器市场规模为 171.80 亿美元，2029 年市场规模将增长至266.50 亿美元，年复合增长率为 9.17%。根据《2023 中国传感器企业高质量发展白皮书》，预计 2023 年国内 MEMS 传感器市场规模为 1137.30 亿元，同比增长 8.91%，2023-2025 年市场规模将呈增长趋势。

竞争格局方面，全球市场份额由海外企业意法半导体、应美盛、Bosch Sensortec、亚德诺半导体、村田等企业占据较大比例。国内市场方面，第一梯队国内企业包括歌尔股份、韦尔股份等，第二梯队的企业包括华天科技、苏州固锝等，第三梯队的企业包括敏芯股份、汉威科技等。

BioTac 触觉传感器（手指型仿生触觉传感器/指尖触觉传感器）是一种多传感技术融合，多应用于人形机器人或灵巧手的触觉传感器。特斯拉擎天柱二代已使用指尖触觉传感器，实现在机器人指尖对力的精准控制，灵巧的使用两指捏鸡蛋并进行双手的交互。

根据 IFR 和 GGII，我们对人形机器人和协作机器人未来需求量进行假设估算，同时假设每个机器人双手共用 10 个指尖触觉传感器。根据欣佰特平台数据，2024年指尖触觉传感器 5000 元/个，考虑到技术更新迭代快速，成本将呈逐年下降趋势。预计 2024年指尖触觉传感器全球市场规模为 45.73 亿元，中国市场规模为 27.34 亿元。

随着技术发展，我们认为触觉传感器未来技术更注重技术创新。MEMS 技术发展进程加速，助推触觉传感器进一步实现微型化、集成化，提升便携性与可靠性。此外，多技术融合将进一步提高触觉传感器在下游行业的重要性，渗透率有望持续提升。最后，技术的不断进步和不同应用需求的增加和演变，进一步拓宽触觉传感器的应用领域。