电子皮肤：具备物理柔性与仿生特性，实现触觉感知
思瀚产业研究院    2025-01-06

1、电子皮肤：一种仿人类触觉感知功能的柔性电子器件

人体皮肤的传感功能由皮肤中的感知器实现。人体皮肤中含有多种机械感知器可以感受外界压力信息并产生神经冲动传递给大脑皮层，形成压力刺激的感觉。皮肤中的机械感知器主要有 4 种：

1）位于表层皮肤的迈斯纳小体；

2）位于皮肤深层的环层小体；

3）位于全身表皮基底细胞之间的默克尔细胞；

4）位于真皮内鲁的菲尼小体。

人类的皮肤不仅具有高柔性，而且具有高弹性，研究表明：人的手腕处的皮肤可拉伸性和弹性最高，弯曲时的最大拉伸率可达 20.4%。

电子皮肤即柔性仿生触觉传感器，是一种能够实现仿人类触觉感知功能的柔性电子器件，具备物理柔性和仿生特性。触觉感知是人体皮肤最基本的功能之一，使人体能够感受到接触物体的形状尺寸、温度、质地等特性。

电子皮肤能够模拟人体皮肤的多维信息感知功能，在可穿戴电子、健康医疗监测、智能机器人、智能假肢等领域都有广阔的应用前景。在机器人领域，电子皮肤可用于机器人全身包括肩部、肘关节、膝关节、手部等部位，帮助机器人实现对外界物体的检测与识别，如与操作物体间接触力的大小，操作对象表面的特性等。

早期研制的压力触觉传感器大部分采用硅为主要材料，通过微机电系统（MEMS）技术实现微小阵列的制作，其优点是体积小，成本低，但这种硅微型压力传感器难以满足大面积覆盖的柔性化和可扩展性要求，而电子皮肤具备物理柔性和仿生特性，帮助机器人感知周围环境，更好与外界进行交互，使得机器人更加“类人”与智能化。

2003 年美国 MIT 研制的“电子皮肤”应用于美国 NASA 的宇航员机器人 Robonaut 的前臂、肩部和躯干上进行触觉感知。2005 年日本早稻田大学 Iwata 课题组采用柔性皮肤代替硬质皮肤的触觉传感器厚度为 3mm，肩和臂部空间分辨率为 20mm，分布于 WENDY 机器人全身，识别人机交互。

特斯拉人形机器人 Optimus手指使用触觉传感器。2023 年 12 月马斯克在 Twitter 放出人形机器人 Optimus 最新视频，相较于 3 月的 Gen-1 版本，此次 Gen-2 版本外观有所改动，动作也更加流畅。主要变化包括：

1）脖子上增加 2 个自由度；

2）行走速度提升 30%；

3）不牺牲性能前提下重量减少 10kg；

4）手部每个手指增加了触觉传感器（机器人能够实现二指捏鸡蛋）；

5）脚腕增加六维力矩传感器。

一个机器人的感知–控制–执行架构系统：

（a）为触觉感知过程，被划分为功能块，传感过程、感知和控制动作描述处于不同的层次。

（b）为这些功能块对应的硬件结构块。

传感层：将外部刺激（如压力、振动和热刺激）转化为触觉传感器传感元件的变化。使用嵌入式数据处理单元收集、调整和处理这些数据，然后将其传输到更高的感知层。

感知层：任务是构建一个模型，用于感知交互对象的形状和材料属性等特性。在感知阶段，触觉还可能与视觉、听觉等其他感知方式融合。

执行层：机器人根据融合数据执行控制命令，并使用控制器完成动作。

2、触觉传感器按原理分为压阻式、电容式、压电式、光学式

压阻式触觉传感器：

1）原理：利用压阻效应制备的传感器。压阻效应是指压阻材料受到应力时，其内部电阻率发生变化，采集电路通过将电阻的变化转化为便于测量的电信号来检测传感器的受力大小。

2）优点：具有信号采集方便、鲁棒性好、负载能力强等优点，能够借助相应 MEMS 技术实际较为密集的排布，达到良好的空间分辨率，体积小，集成度高，成本低。

3）缺点：迟滞性较大，不利于快速响应，并且其温漂大，线性度也较差，无法直接精准测量切向力。

电容式触觉传感器：

1）原理：当电容式触觉传感器受到法向力时，其上下电极板的间距发生改变，导致传感器的电容值发生变化；当传感器受到切向力时，上下电极的重合面积发生变化，也会导致传感器的电容值发生变化。便于测量三维力的大小。

2）优点：灵敏度与空间分辨率高，响应幅度宽，能够衍生为接近传感器的应用。

3）缺点：易受电气干扰的影响。

压电式触觉传感器：

1）原理：是一种基于压电效应的传感器。压电效应指当压电敏感材料受到外部压力载荷时，在压敏材料的两个背面会产生符号相反的两种电荷，撤掉外力时，又会恢复到初始不带电状态。将压电式触觉传感器连接到电荷放大器和测量电路上，采集其与所受外力相关的电信号，从而实现触觉检测。

2）优点：是一种自发电和机电转换传感器，不需要外部电源，因此这种传感器更便于携带，且其材料刚度高，线性度好，响应灵敏。

3）缺点：易受噪声干扰，其介电性会受温度影响；较难对切向力进行直接的定量测量。

光电式柔性触觉传感器：

1）原理：将传感器所受压力映射为光信号强度、波长等性质的变化，通过检测光学信号来检测传感器所受压力。光学式触觉传感器所依赖的传感原理包括光强调制、光纤布拉格光栅（FBG）技术和干涉测量检测，前两种传感原理已得到广泛应用。

2）优点：分辨率高，无电气干扰的问题；有一定的切向力表征能力。

3）缺点：容易受到温度影响，且光纤的微弯曲会导致光损失，分析触觉信息的计算方法复杂。

一种典型的压阻式触觉传感器结构为电极层-中间传感层-电极层的“三明治式”夹层结构。传感单元的上、下两层是连接外接引线的电极层，中间是具有压阻特性的敏感材料，整个传感单元的作用是将感受到的外界压力转换为电阻变化量，通过后续信号处理电路根据检测到的电信号反求出所受压力，从而达到压力检测的目的。

传感单元阵列化能够满足大面积覆盖的需求。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，传感单元阵列化的方式较多，最经典的是采用行、列电极的结构形式，将压阻材料置于上、下垂直的两组平行电极之间，行、列电极的每个交叉点与压阻材料接触形成传感单元，大量排列有序的传感单元就形成了传感器阵列。

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。

3、制备柔性触觉传感器核心：材料选择、结构设计、制造工艺

制备阵列触觉传感器柔性化核心在于材料选择、结构设计、制造工艺。

1）材料的柔韧性、可拉伸性、高弹性是制备柔性触觉传感器的关键。具有优良电学和力学性能的软体功能材料是触觉皮肤研究的基础和核心。电子皮肤的材料主要取决于：

基底材料：基底材料是决定柔性触觉传感器弹性形变性能的关键因素。传统的电子传感器通常以硅或氧化硅等作为衬底材料，而柔性电子皮肤需要基底材料具有高柔韧性。常用的柔性基底材料包括：PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PI (聚酰亚胺) 、PE（聚乙烯）、PU（聚氨酯）、水凝胶等。

活性层材料：具有优异的机械性能和电子特性的活性材料是决定柔性触觉传感器灵敏度等性能的关键。常见的活性层材料可分为: 自身具有高导电能力材料和高弹性导电复合材料，在不同的制备条件和制备工艺下，由各种类型活性材料制备的柔性应变传感器通常表现出不同的敏感性能。石墨烯、碳纳米管、导电高分子、离子导体、金属纳米材料等具有较高的导电性，常用于柔性触觉传感器的活性层。

电极材料：电极材料也是影响器件灵敏度和稳定性的重要因素。例如，在外力作用下，压阻式触觉传感器的电极与电极之间以及电极与活性层之间的接触电阻发生变化，并产生输出信号，所以触觉传感器电极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。

2）除了材料，还可以通过不同的结构以实现柔弹性，如多层网状阵列式结构和单层阵列式结构，基于“多孔 PDMS”设计了新型多层“三明治”结构和空心球微结构等。

3）高灵敏度电子皮肤触觉传感器的制作通常涉及聚合物微加工、氧等离子体处理、电子束蒸镀、磁控溅射等复杂的工艺和技术，相应的设备价格高昂；另外制作电子皮肤触觉传感器的材料普遍比较昂贵，因而成本较高，这些限制了电子皮肤触觉传感器的大批量生产。

近些年聚合物微机械加工工艺等新型制作方法和 3D 打印技术逐步兴起，在部分领域颠覆了传统的设计和制造方式，为电子皮肤触觉传感器的柔弹性的实现创造了新的可能：哈佛大学的 Muth 等（2014）利用 3D 打印技术，将特殊导电材料注入高分子弹性材料中，制作了拉伸率达到 400%的应变式触觉传感器；早稻田大学 Pu 等（2014）利用二氧化钼特有的大带隙、高有效载流子迁移率及高机械强度的特点，并结合化学汽相沉积法制作了柔弹性薄膜晶体管，可用于制作电子皮肤触觉传感器与可穿戴计算机等柔弹性要求较高的电子元器件；Zucca 等（2015）基于卷对卷加工技术开发了具有超顺应性的导电聚合物纳米薄膜。

测算 100 万台人形机器人对应电子皮肤的市场需求为 100 亿元。由于未来机器人要和人实现接触和互动，除了手部，在肩膀、手肘、前后背部也可能覆盖电子皮肤。皮肤是人体面积最大的器官，一个成年人的皮肤展开面积约 2 平方米。假设未来机器人大概 1/100 的面积需要覆盖电子皮肤，即大概有 200 平方厘米，假设每平方厘米的电子皮肤价格为 50 元，则 100 万台人形机器人对应的电子皮肤市场空间为 100 万台机器人*200 平方厘米/台机器人*50 元/平方厘米=100 亿元。

国外做电子皮肤或者触觉传感器的领先企业包括 Tekscan，Pressure Profile Systems，Sensor Products Inc.，Weiss Robotics，SynTouch，Tacterion GmbH 等，这些公司占据市场的主要份额，国内包括帕西尼感知科技、力感科技、他山科技、墨现科技、能斯达等等，均处于早期。

国内做电子皮肤或者触觉传感器企业

帕西尼感知科技：成立于 2021 年，产品线覆盖从“传感器核心零部件”到“人形机器人整机制”全链路环节，并已实现批量商业级交付。公司研发制造的多维度触觉传感器 PX-6AX、消费级触觉传感器 PX-3A、触觉灵巧手 DEXH5 等，广泛应用于智能制造、医疗康养、工业生产、消费电子等领域。

力感科技：成立于 2016 年，公司与中科院先进技术研究院深度合作，自主研发、生产和销售柔性传感器。通过整合传感器、软件和算法，提供力感应解决方案，其产品主要应用于智慧养老、汽车、医疗设备、智能硬件和保健康复等领域。

他山科技：成立于 2017 年，是一家人工智能触觉传感芯片及应用解决方案研发商。公司专注于人工智能触觉感知领域，拥有全球领先的 AI 触感知专用芯片及触觉感知算法。目前首款芯片已完成流片，该芯片也是全球首款人工智能触感专用芯片，该芯片不仅应用在了机器人灵巧指尖，还用在了汽车、家电等行业。

墨现科技：成立于 2021 年，是一家触觉类传感器领域的科技企业。公司现已实现了功能性与可靠性完全解耦的逾渗式压力传感器量产方案，其全新推出的 FLX 系列柔性薄膜压力传感器，能够同时满足高可靠性、低触发力度、大量程、低成本的需求。

能斯达：成立于 2013 年，公司专注于柔性电子技术的研发与创新，现已掌握柔性触觉传感四大核心技术，确立了柔性压力传感器、柔性压电传感器、柔性织物、柔性电容传感器等四大产品系列，并实现了柔性微纳传感器在智能机器人、消费电子、汽车电子等战略新兴产业中的批量生产和应用。

华威科：成立于 2011 年，是湖北省专精特新中小企业。公司由中国科学院能有伦院士发起成立，致力于为行业提供领先的智能感知技术、产品与解决方案。目前，华威科已开发出灵巧手感知、智能皮肤等多款触觉产品，并已协同多家人形机器人行业龙头企业开发，实现小批量出货。

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