机器人电子皮肤研报学习（中泰）

/1、电子皮肤：赋予机器人感知能力的关键

传感器技术是机器人感知环境和完成任务的基础。触觉传感是机器人信息的重要来源，触觉传感器接触物体时，能检测其温度、形状、纹理、材质等物理性质，并反馈信息，助力机器人开展下一步操作。

◼ 电子皮肤是一种可穿戴柔性仿生触觉传感器，可作为柔性触觉传感器应用在机器人手指、手臂等部位，使机器人获得对外界触摸感受的能力。

电子皮肤具备多维触觉感知能力，主要包括以下三类：

温度感知：通过热敏材料检测环境或接触物体的温度变化，实现冷热识别与热安全反馈；

法向力感知：感知垂直于皮肤表面的压力，帮助机器人判断接触、抓握力度与物体硬度等；

剪切力感知：识别平行于表面的滑动或摩擦力，助力机器人完成抓取稳定性判断、纹理识别与方向判断等操作。

电子皮肤感知能力与技术实现原理、材料和应用场景

温度感知：依据冷热特性调整操作，避免损坏或安全隐患

温度感知是电子皮肤的基础功能之一，使机器人能识别接触物体或环境的冷热变化。常用材料如PVDF、PEDOT，可将温差转化为电信号，现广泛应用于健康监测、假肢反馈与热安全预警。

◼ 应用场景：① 穿戴式健康监测设备：实时监控体温、皮肤热流变化；② 温度反馈系统：提升仿生真实感与触觉反馈；③ 机器人热预警：感知设备接触物体是否过热，避免烧伤或损伤。

法向力感知：实现精准触控与抓握控制的关键

法向力感知使电子皮肤能检测垂直方向的接触压力，判断“有没有碰到”和“碰得多重”，是实现抓握、触控与表面识别的基础。

◼ 电子皮肤中法向力感知主要依赖力 — 电信号转换机制，即将外界施加的垂直压力转化为可测量的电信号输出。

如图8所示，电子皮肤通过仿生多层结构设计，在外力垂直作用下引发导电层间距或材料电阻变化，进而输出可识别的电信号。

◼ 应用场景： ① 机器人抓握控制：精准判断握力，避免夹碎或夹不稳； ② 物体接触识别：感知物体是否接触、接触是否稳定。

剪切力感知：实现纹理识别与抓取稳定性的核心能力

剪切力感知使电子皮肤能识别平行于表面的摩擦、滑移或旋转，实现纹理识别、抓取稳定性判断与方向感知的关键能力。

剪切力感知通常通过上下层微结构之间的弹性响应与摩擦电/ / 压阻信号变化实现，如图10所示，当外部滑动力施加后，液态电解质层发生形变，引发电信号变化；此外，图11展示的仿指纹结构在放大滑移信号方面具有重要作用，是增强方向判别能力的常见设计方式。

应用场景： ① 滑动/ / 摩擦检测：判断物体是否滑移、摩擦系数变化； ② 纹理识别：模拟人类“摸”不同材质的触感差异； ③ 抓取稳定性评估：配合法向力控制夹持过程中的动态稳定性。

电子皮肤使机器人灵巧手在复杂任务中操作更精准、运行更稳定，显著提升工作效率和可靠性。电子皮肤的精度参数包括最小感知力、采样频率和感应点数量等指标，耐用性的核心参数包括使用寿命、工作温度、防水防尘、抗磁场干扰防零漂等。

未来能实现高精度+ + 长寿命的电子皮肤产品将具备更强的市场竞争力。以帕西尼PX-6AX GEN2为例，其采用电磁式技术路径，能感知压力、温度、材质和滑动，采样频率达 200 Hz，最小感知力达0 0. . 01N N，使用寿命超300万次，具备较好的使用场景应用的潜力。

电子皮肤技术路径多，常见压阻式，电磁式可感知切向力

电子皮肤主要由介电材料、活性材料、柔性基材组成

电子皮肤一般是由电极、介电材料、活性材料、柔性基材组成。由活性材料组成的活性功能层将环境刺激转换为可检测的点信号，而介电材料通常作为绝缘/传感层，分布在活性功能层的两侧用于接收和传输电信号，柔性基材则起到承载电子皮肤的同时，确保跟生物皮肤或者其他材料兼容性的作用。

◼ 电子皮肤的作用原理是外部压力集中应力在接触点, 使互锁型微结构变形, 从而导致接触面积和隧穿电流的增加，实现外界压力互传与反应

柔性基材是决定是决定人形机器人电子皮肤弹性形变性能的关键因素，需要具备较好的拉伸性能和延展性能。

◼ 目前常用于人形机器人电子皮肤的柔性基材主要是聚二甲基硅氧烷 PDMS，而随着柔性基材研究深入，聚酰亚胺逐渐被公认为是柔性电子传感器件的优选基底材料，但成本较高，难以规模化生产

介电材料起到绝缘隔离，影响传感器的灵敏度、稳定性、响应范围和机械适应性的作用。以往的介电材料一般为传统的弹性材料，但为了满足现代晶体管和电容式触觉传感器可拉伸需求。研发出较高介电常数 (k) 、较低漏电流、更高偶极密度、更大电流密度、更大能量密度和快速放电以及较低损耗的介电材料是目前的研究热点。

◼ 目前获得高介电常数的介电材料主要分为四种方法，即化学结构设计，添加无机纳米粒子，填充导电材料和介电离子凝胶，介电胶因其高精度压力传感、低检测限、可定制的模量、透明性和简单的制备过程而脱颖而出

作为电子皮肤的重要组成部分，活性材料承载着准确、完整的传递外界点刺激的作用。因此，为了保证活性层性能，要求材料必须要优秀的机械性能和电子特性。

◼ 目前适用于电子皮肤的活性材料主要包括碳纳米管基活性材料和石墨烯基活性材料。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传感性能。

电子皮肤制造工艺也是决定了行业技术壁垒的关键所在。其密集的电子元器件布局容易受到电磁干扰的影响，在微小尺度上实现有效屏蔽成为一大难题。同时，如何以低成本、高效率的方式实现规模化生产，也对工艺优化提出了更高的要求。

随着柔性触觉传感器工艺提升和产能增加，人形机器人形成感受温度、湿度、压力等刺激的多物理量组合传感技术，在信号接收层面已经向仿真触觉信号接收量靠近。

◼ 电子皮肤算法从集中式向分布式转变。目前传感器触觉分析多采用集中式数据处理，难以实现人类皮肤复杂触觉感知模式。随着传感器数量增加，集中式处理面临传输数据带宽和功耗瓶颈，因此向分布式覆盖转变成为趋势，这也使得低功耗分布式硬件与算法的迭代更新成为电子皮肤领域的新技术壁垒。

数据处理硬件由集中式向分布式的演变趋势，要求配套算法控制也进行相应更新迭代，力求可以模仿人类触觉系统的超冗余传感+预测编码机制，让机器人不仅可以对海量信号刺激做出及时反馈，也可预判接触状态并提前响应。

◼ 目前，机器人领域前沿的柔性传感器配套数据处理算法主要包括基于 STDP （脉冲时序依赖可塑性）规则的无监督学习、强化学习（ RL ）和脉冲神经网络（ SNN ）

柔性传感器全球市场规模

柔性传感器国内市场规模

人形机器人电子皮肤市场规模测算

参考TekScan A201薄膜压力传感器价格，覆盖每平方厘米的传感器目前售价约267元。人形机器人电子皮肤假设从指尖拓展至手掌手背和脚掌，假设：单指尖面积为1cm 2 ，双手共10cm 2 ；单手掌面积为75cm 2 ；单手背面积为75平方厘米，单脚掌面积为200平方厘米

高端产能被外国占据，市场格局较为集中。柔性触觉传感器是电子皮肤的核心部件之一，技术门槛高、研发周期长，高端产能被国外垄断，市场集中度高。2022年，全球前五大厂商Novasentis、Tekscan、JDI、Baumer和Fraba合计占据约57.1%的市场份额。国内企业如汉威科技、申昊科技、柯力传感、福莱新材、帕西尼、纽迪瑞、钛深科技、埔慧科技等公司已经入局，进展迅速，已有公司进入送样阶段。

◼ 国产化率不断提升。目前，全球核心厂商主要分布在北美、欧洲，以中国为代表的亚太地区近年来新进入市场企业较多，发展速度较快，未来有望逐步缩小差距，推动国产化进程。