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人形機器人是一種先進的系統，旨在模仿人類的行走、語音和圖像識別能力，其構建涉及許多復雜的技術。
在人形機器人中，傳感器不僅實現了基本的感知功能，而且是實現高級功能和優化性能的關鍵因素。
傳感器是一種可以檢測和響應各種刺激的裝置，其結構包括敏感元件、轉換元件和基本轉換電路。其核心功能是將被測信息轉換成電信號或其他易于處理的輸出形式。
根據機器人技術的用途，傳感器可以分為兩類：內部傳感器和外部傳感器。
內部傳感器主要用于監測機器人的內部狀態，如位置、速度和加速度，而外部傳感器則專注于捕捉距離、聲音、光線和觸覺等機器人外部環境的信息。
對人形機器人而言，規劃、控制和感知是三個基本要素。
感知部分對傳感器的要求特別嚴格。人類依靠內耳中的耳石和半圓形耳道來保持平衡和方向感知，而機器人則需要使用加速度計來測量加速度，傾斜傳感器來測量其傾斜角度。
為了測量與環境的接觸，機器人需要在手腳等關鍵部位安裝力傳感器；位置傳感器可以指示機器人的實際位置。
在機器人和其它物體之間，觸覺傳感器可以提供力和扭矩的詳細信息。
CCD相機通常用于視覺傳感器，使機器人能夠捕捉和分析圖像信息。
在沒有考慮到手和頭所需的傳感器數量的情況下，特斯拉推出的人形機器人有28個自由度，包括直線和旋轉執行器。
人形機器人主要包括力/力矩傳感器五大傳感器，IMU（慣性測量單元）、視覺傳感器，觸覺傳感器和編碼器。 ? ?
這類傳感器可以實時、準確地捕捉到三維空間中機器人的位置和姿態信息，以及與環境互動的各種力量信息。
這些數據對于導航、路徑規劃、避障、自主定位、手臂控制和穩定性控制的應用至關重要。
人形機器人傳感器展示分布：資料來源：百度
六維力矩傳感器
從目前市場上的人形機器人產品來看，力傳感器在機器人的各個關節中起著重要作用。
六維力矩傳感器在人形機器人的設計中尤為重要，主要用于手腕和腳踝的柔軟度控制。
六維力矩傳感器技術壁壘較高，涉及設備、工藝和零部件的復雜性。
為了保證六維力傳感器的準確性，不僅需要高精度的解耦算法，還需要準確的預校準。這個校準過程也取決于專業的設備和技術。
除機器人行業外，六維力矩傳感器還在汽車、航空航天、生物力學等領域發揮著重要作用。
根據有關市場研究預測，從2022年到2027年，中國市場6D力/力矩傳感器的銷售額將從8360套飆升至84000套，年均增長率超過60%。相應的市場規模也將從2.39億元躍升至15億元以上，年均增長率超過45%。 ? ?
從全球市場結構來看，由于六維力傳感器的高科技壁壘，具有批量生產能力的廠商數量有限。目前市場主要由歐美、日本、韓國的廠商主導。
國外主要傳感器制造商包括ATI、Bota、機器人末端工具制造商Kistler等，包括OnRobotottler、Robotiq等。
高工機器人（GGII）資料顯示，2022年中國市場6維力/力矩傳感器銷量達到4840套，同比增長62.58%。預計2023年銷量將超過6700套，同比增長約40%。
雖然市場基數仍然較小，尚未形成明顯的規模效應，但隨著新進入者的增加和下游細分市場意識的提高，六維力傳感器市場有望迎來快速增長期。
國內主要布局廠商包括宇立儀器、柯力傳感、坤維科技（瀚川智能股）、新精誠、海伯森（漢宇集團參股）、藍觸摸，神源生，瑞爾特等。
慣性傳感器（IMU）
慣性傳感器（IMU）它是一種能將物體的加速度、位置和姿勢轉換成電信號的裝置，其核心部件包括加速度計、陀螺儀和磁力計。
IMU作為位感感受器在機器人技術中起著至關重要的作用。
IMU在人形機器人中的應用不僅僅局限于定位和導航，還有助于監測機器人的狀態信息，保持其平衡。
人形機器人的實時位置和運動軌跡可以通過與攝像頭、力傳感器等多個傳感器的數據融合來推斷，IMU收集的加速度和角速度等慣性信息可以實現精確定位導航，幫助機器人保持身體平衡。
IMU通常安裝在人形機器人的關鍵部位，如骨盆、胸腔、靈巧的手和腳等。
IMU方案集成在眾多知名的人形機器人品牌產品中。舉例來說，UCLAARTEMIS安裝的戰術IMU注重高性能，而波士頓動力的Atlas和小米的CyberOne等產品實現了超聲傳感器、ToF傳感器、激光雷達等其它部件的互補功能，提高了機器人的整體性能。 ? ?
高性能慣性傳感器技術壁壘較高。在世界范圍內，IMU慣性測量單元的頭部制造商主要包括博世，ST、TDK等公司。國內企業在這一領域的發展正在加速，MEMS慣性傳感器技術在敏芯股份和芯動聯科等公司方面取得了突破。
視覺傳感器
3D視覺傳感器主要由深度發動機芯片、光學成像模塊、激光投影模塊等電子設備和結構件組成。光學成像模塊的核心部件包括感光芯片、成像鏡頭、濾光片等核心部件；中游基于深度發動機算法結合應用設計各種3D視覺傳感器方案的3D視覺感知方案提供商。下游根據終端的各種應用場景開發各種應用算法的應用算法方案。
預計到2030年，全球人形機器人視覺傳感器的市場空間將達到82億元，隨著人形機器人的大規模生產和視覺傳感器的進一步降低成本。
以?？低?/u>、大恒科技、天準科技、奧普特為代表的本土機器視覺企業，在核心零部件技術、獨立軟件算法等領域進行了大力投資。
觸覺傳感器
觸覺傳感器在人形機器人技術中至關重要。
觸覺傳感器經歷了許多重要的迭代，從單一觸覺傳感器到綜合觸覺傳感器、柔性觸覺傳感器，再到觸覺反饋再現和情感交流。
PVDF（壓電聚合物材料）傳感器具有壓電系數高、性能穩定、質地柔軟、電壓響應范圍廣的特點，非常適合人形機器人的指尖使用。當PVDF材料彎曲變形時，可以產生電壓信號，從而實現觸覺的準確感知。
人形機器人手部感知并不局限于觸覺傳感器的作用。 ? ?
觸覺傳感器作為視覺感知的重要補充，可以幫助機器人更全面地了解周圍環境，廣泛應用于機器人的關節、柔性皮膚、智能駕駛艙和可穿戴設備等場景。
據VMR測算，2021年全球觸覺傳感器市場規模已超過112.5億美元，預計到2028年將達到260.8億美元，實現年均12.8%的快速增長。
觸覺傳感器原理：
國內主要布局廠商包括柯力傳感（指尖觸覺）、漢威科技（柔性傳感器）、東華測試、華益科技、康斯特、敏芯股份（關節扭矩與平衡）。
編碼器
編碼器是一種用于檢測旋轉角度和直線位移的傳感器。
根據不同的檢測原理，編碼器主要分為光電編碼器、磁性編碼器、電感編碼器和電容編碼器。在刻度方法和信號輸出形式上，編碼器可分為增量、絕對和混合。
在人體機器人的設計中，對編碼器的需求很大。一般來說，每個旋轉關節需要配備2個編碼器，人體機器人的旋轉關節總共需要28個編碼器。
同時，每個線性關節和靈巧的手至少需要一個編碼器，分別需要14個和12個編碼器。預計單個人形機器人需要使用約54個編碼器。這種大量的編碼器配置保證了人形機器人在運動過程中的精確控制和穩定性。 ? ?
目前，編碼器市場技術壁壘較高，主要由國外廠商主導。
與進口產品相比，國內編碼器在精度和綜合性能上仍存在一定差距，中國高端編碼器市場主要被海外企業占據。
在2022年的國內編碼器市場中，多摩川和海德漢占據了42%的市場份額。余衡光學（奧普光電控股子公司）排名第三，占市場份額的8%。
宇恒光學是國內編碼器領域的龍頭企業，打破了海外廠商的壟斷。光柵編碼器產品已成功引進華中數控、廣數、科德數控等機床企業，并與沈陽新松機器人合作。具有代表性的JFT系列絕對光柵尺產品已達到國際領先水平，最高分辨率高達2.5nm。
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2022年國內編碼器市占率情況：資料來源：MIR、掃商證券、行行查
目前，人類機器人市場正處于快速增長階段，對傳感器的需求也在增加。傳感器技術作為連接軟件和硬件的橋梁，在智能升級中發揮著至關重要的作用。傳感器廣泛應用于人類機器人中，涉及力感知、狀態感知、視覺感知和位置感知等領域。
經過長期的技術積累，國內廠商在這些領域取得了重要突破，布局了一系列具有自主知識產權的傳感器產品，有望抓住人形機器人發展的廣闊機遇，加快國內替代的實現。
壓力觸覺傳感器分析
力/力矩傳感器：機器人常用應變式六維，制造工藝難度大
力傳感器有壓力、稱重、扭矩等類型，通過荷電效應和磁場效應將力轉換為電信號。力是引起物質運動變化的直接原因，力傳感器是將力的量值轉換為電信號的器件，可以檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、應變等力學量，廣泛應用于制造業自動化、航天航空、醫療器械等領域。根據其測量的力的類型不同，可以分為扭矩傳感器、稱重傳感器、拉力傳感器和壓力傳感器。力傳感器工作的原理主要基于荷電效應和電磁感應效應，當力傳感器受到力的作用是，內部的電荷/磁場會產生相應的變化，從而產生電信號。 ? ?
按測量力的緯度劃分，力傳感器可以分為一維、三維和六維力傳感器，二維和五維的力傳感器較少。力的方向和作用點決定該用幾維的力傳感器測量：1）如果力的方向和作用點固定且和一維力傳感器的標定坐標軸一致，那么一維傳感器就能對其精確測量；2）如果力的方向隨機變化，力的作用點保持不變且與傳感器的標定參考點重合，那么三維力傳感器能完成任務，可以同時測量F的分力Fx、Fy、Fz；3）如果力的方向和作用點都在三維空間內隨機變化，那么空間中任意的作用點力可以分解為沿標定坐標軸的三方向分力和繞標定坐標軸的三方向力矩（作用力使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向），則需要使用六維力傳感器來測量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六個分量。
根據感力器件的不同，六維力傳感器可以分為應變式（電阻式）、光學式和電容/壓電式力矩傳感器。六維力傳感器通常由彈性體、應變片、電橋、信號調理器和輸出接口等組成，其中彈性體和應變片是核心器件，當力輸入后，彈性體將物體受到的力和力矩轉化為應變，應變片再檢測彈性體的應變情況，電橋再將應變片的信號轉化為電信號，信號調理器再對電信號進行處理最后通過輸出接口輸出。不同類型的六維力傳感器其中應變片對應的材料不同：
1）應變力式力扭矩傳感器：應變片采用的硅應變片或金屬箔，應變片被貼在彈性體上，當力矩傳感器受力是，硅應變片或金屬箔形變被測量轉換成電信號，再通過算法計算成需被計量的數值。該類力矩傳感器采用了粘接應變片和可變形板，制造工藝較為復雜，成本較高。但其有較高分辨率且可以承受極端載荷，據Robotous，目前市場份額占比80%以上。
2）光學式力扭矩傳感器：據Robotous，光學式力扭矩傳感器市場份額最低，平常較難找到。傳感器受到力作用是，光學傳感器測量光強度變化，將光柵欄變化的信號轉化為電信號。該類傳感器制造工藝和水平適中，光信號受點噪聲影響較小，具有較高穩定性，但它不能承受重載荷，實際使用較少。
3）電容/壓電式力矩傳感器：壓電式力矩傳感器是通過壓電材料的形變產生靜電電荷/電壓變化從而產生電信號；電容式力矩傳感器則是采用非接觸式傳感結構，應變片是非接觸式電極，傳感器受力產生電容差而計算力的具體量值。該類傳感器制造工藝最簡單，成本最低，但由于數據具有較高的非線性，對處理數據的算法要求較高。 ? ?
六維力傳感器核心壁壘在于非線性、遲滯性、重復性、溫度等其他影響，國內外仍有一定差距。六維力傳感器生產商第一梯隊目前仍被國外廠商如量產數量美國Vishay、德國HBM和日本NMB為主，第二梯隊才是國內廠商如柯力傳感等公司，國內外發展差距較大的原因主要是六維力傳感器的制造工業難度較高，具體表現在：1）現六維力/力矩傳感器技術開發和工藝成本的平衡并不統一；2）應變片材料配方較難；3）應變片如何貼到彈性體上難度較高；4）六維力信號的解耦解算難度較高，這種是解耦解算非線性的，但敏感元件+溫度響應問題會加劇非線性問題；5）傳感器之間會有應變片以外的形變問題如漂移等會影響精度。
電子皮膚與觸覺感知
綜述
柔性壓阻型觸覺傳感器陣列：開發智能機器人觸控系統
壓阻型是柔性觸覺傳感器的主要類型之一，尤其適合構建具有高空間分辨率的大型觸覺傳感器網絡。導電納米材料（碳納米管）與聚合物彈性體（如聚氨酯等）二者合成的壓阻薄膜（PRF）是壓力傳感器的首選材料之一，但在實踐中因材料融合問題導致PRF靈敏度較低。雖然可以采用表面微結構設計增強靈敏度，但基于模具的微結構往往限制了單個壓力傳感器的尺寸并阻礙其向大型傳感器陣列的集成。同時，構建大型壓力傳感器陣列還需要具有薄膜晶體管（TFT）陣列的有源矩陣，以實現高空間分辨率并減少相鄰傳感器像素之間的串擾。
1.電子皮膚與觸覺感知 ? ?
電子皮膚由三維界面、局部點微應力檢測單元和外圍電路組成，工作原理較為簡單。以電容式壓力傳感器為例，三維界面應力檢測單元用于檢測應力的大小，微應力檢測單元由新型表面波壓力傳感器組成，用于檢測局部點的微應力大小，柔性電子皮膚可以實時檢測三維界面和指定點的應力大小，將各個點的檢測數據輸出到外部以達到實時檢測電子皮膚分布界面的應力。柔性壓力/溫度等傳感器的工作原理主要是通過力敏/熱敏等敏感元件感受外部環境的變化，通過外部信號導致柔性傳感器內部的壓電材料/電容/電阻等發生變化從而產生電信號（微型傳感器實現），從而達到測量的目的。
柔性電子皮膚的核心壁壘在于如何設計電路，從而達到其穩定性、選擇性、靈敏度和機械協調性問題。柔性傳感器的這幾大難點也是目前限制柔性電子皮膚大規模發展的重要原因：1）穩定性：柔性電子皮膚的穩定性問題主要來源于高聚合分子材料，聚合材料拉伸的可延展性不佳和生物污染等問題會導致柔性傳感器穩定性不佳；2）選擇性：是指傳感器區分目標分析物和可能的干擾物的能力，EMI等問題容易導致傳感器區分不開測量目標；3）靈敏度：大多數機械性傳感器存在假陰性、非線性等問題；4）機械協調性：傳感器中使用的材料種類繁多，但每種材料的機械性都不同，界面失配容易導致機械性失調問題。
當前，柔性觸覺傳感器主要局限于單一的壓力或觸覺感知，而電子皮膚的終極目標是實現多功能感知，如溫度、濕度和壓力等。盡管目前市場上的產品尚未達到這一多感知目標，但研究仍在積極進行中。 ? ?
技術和市場競爭方面，全球廠商如奧迪V和蘇州能思達在電子領域中采用相似的柔性觸覺傳感器技術，并都專注于電子皮膚的研發。其中，壓阻式觸覺傳感器因其高靈敏度成為主流，但也面臨著干擾和可靠性的問題。
核心材料對性能的影響顯著。觸覺傳感器的關鍵性能指標包括靈敏度、量程、一致性、重復性、信號噪比、線性度、可靠性、使用壽命以及環境限制。特別是壓敏碳漿，它決定了傳感器的基礎性能，如靈敏度和可靠性。
2.傳感技術的核心要素
國內外觸覺傳感器的差距主要體現在亞米碳漿層的品質和性能、傳感器結構設計和制程工藝控制，以及后端算法解析上。
在行業內，大多數公司自主掌握核心材料、結構設計和制造技術，而后端算法的開放程度較大，強調與客戶合作開發。
傳感器的成本構成包括傳感器含量、制造成本和算法等。隨著量產規模的擴大，預計會出現顯著的成本下降。
3.柔性電子皮膚的定制化投資價值
柔性觸覺傳感器的定價取決于客戶需求的功能、性能、精細度和復雜性，以及最終的布置規模和設計，因此沒有標準化的商品或定價。
在服務機器人應用中，電子皮膚能使機器人更精準地感知周圍的人和物體，解決了由于紅外或雷達傳感器過度敏感導致的效率問題，適用于送咖啡、快餐等功能。
隨著量產的實現，成本有望顯著降低，理論上可以降至1000元以內。人形機器人對電子皮膚的需求較大，理想情況下應覆蓋所有外露部分。
4.柔性觸覺傳感器的可持續性
柔性傳感器材料具有高耐用性和易替換性，特別適合用于人形機器人?；讐勖c機器人匹配，非破壞性老化問題不大。 ? ?
雖然MEMS傳感器精度高，但技術壁壘較大，且制造精度的不同會帶來不同程度的技術挑戰。
高分子材料被廣泛應用于柔性觸覺傳感器中，如PET和PI等，具有良好的耐候性和抗老化性。
5.柔性傳感器的性能與市場前瞻
柔性觸覺傳感器的制程和材料是關鍵因素。盡管國內外在結構設計上可以相互模仿，但在制程能力和亞米碳漿層材料上存在差異，這決定了產品的性能和精度。
在靈敏度和量程方面，目前沒有一致的標準。不同產品具有不同的規格，量程一般在克到公斤級別，沒有絕對的優劣之分。
據報道，某國內公司可能擁有先進的電子皮膚技術。例如，優必選與合作伙伴研發的電子皮膚要求高、功能復雜，目前仍處于實驗室階段，與特斯拉的傳感器技術明顯不同，但具體細節和價值尚未透露。
6.觸覺傳感器技術難點探討
觸覺傳感器的要求高，實現難度大。在現有技術下，單點觸覺傳感器要實現0.1牛至240牛力的檢測范圍存在挑戰，特別是在0.1牛力檢測的靈敏度上，要求極為嚴苛，制造過程中面臨諸多困難。
材料應用的差異性明顯。在壓敏層中，碳系導電填料(如碳黑、碳納米管和石墨烯等)的應用對提升靈敏度和量程至關重要。企業間的配方屬于核心秘密，而導電漿料主要用于電極，不屬于壓敏層。
在國內，有多家企業在柔性觸覺傳感器領域活躍，包括能思達、力感、墨線、黃埔材料研究院等。其中，紐迪瑞在觸覺開關等細分市場表現突出。各企業采取差異化布局，具有較高的關注價值。 ? ?
特斯拉人形機器人傳感技術探討
綜述
1.特斯拉人形機器人傳感技術探討
東莞墨線為特斯拉人形機器人提供的主要傳感器樣本是柔性傳感器，規格包括1×2厘米、1×1厘米和1厘米×4厘米。相較于高密度的傳感器布局(如手指上的約96個點位),這些傳感器的粒度較為粗略。目前，特斯拉可能在機器人上使用高密度壓力傳感器。這些傳感器的手指部分覆蓋有硬質支撐，表面可能是硅膠或橡膠，從而實現柔軟外觀和硬質支撐的結合。
市場上的機器人傳感器采用多種技術路線，如壓阻式、壓電式和電容式。柔性傳感器的價格相對較低，可能是高密度檢測方案成本的20-30%。
2.柔性傳感器技術方案解析
柔性傳感器的監測原理各有差異：壓阻式適用于監測恒定變化；壓電式對頻繁變動更為敏感，適合心率檢測；而電容式生產難度較大，受機械間距影響顯著。柔性材料在應用中的細節表現為：柔性傳感器通過電路陣列實現監測，陣列內的交錯點分布有壓敏材料，能夠精細捕捉壓力變化。
成本和應用范圍方面，單手應用柔性傳感器的成本約為2000-3000元。手腳需要密集布點，而胸背等部位由于密度較低，成本可能會較低。
3.柔性傳感器的技術路徑探討
柔性傳感器的技術優勢在于其能夠在多曲面布置，適應非平面的復雜形狀，滿足客戶對柔軟、自然外觀的需求。當前市場主要需求是壓力檢測功能，對溫度和濕度檢測需求較低，因為已有更成熟便捷的檢測方法。生產工藝方面，目前存在三種主要工藝：導電油墨成本較高，壓阻材料布局簡單且成本節約，而霍爾素材傳感器在多點布局時成本高昂，不適用于大批量生產，制造過程中存在局限性。 ? ?
4.趨勢與挑戰
柔性傳感器早期主要用于床墊和座椅碰撞檢測，近年來開始應用于工業機器人，但由于技術和成本問題，進入機器人領域的時間較晚。核心技術壁壘主要包括材料一致性難以保持、溫度變化下的穩定性問題，以及處理脆弱材料加工難度大、制造成本低但整合難度高等。
降本途徑可能包括提高產量，通過大面積一次性生產后裁剪，提高自動化程度以減少手工作業，增強傳感器的可采性和自動化組裝能力。
5.探索柔性傳感器國內外投資機遇國內某些機器人零部件廠商正在布局電子皮膚領域，如拓普，已開始招聘與電子皮相關的人員。然而，目前行業內尚未形成廣泛的合作關系，也未見與特斯拉供應鏈的直接關聯。柔性傳感器的主要應用領域包括機器人、床墊和汽車座椅，其中新能源汽車領域對傳感器需求較大。中國與海外的柔性傳感器技術存在一定差異，主要集中在科研用途，國內外均尚未大規模應用于消費品。國內外價格存在差異，外國產品定價可能更高。
在產業鏈中，生產壓印材料、柔性材料和壓阻或壓電材料的廠商掌握關鍵技術，可能獲得最大紅利。雖然電路容易復制，但柔性材料和基底壓阻材料的大規模生產仍面臨挑戰。
6.傳感技術革新缺乏動力科技公司因固化思維模式，缺乏迭代進步，導致營收增長停滯在3000萬，缺乏推動技術前進的動力。國內柔性傳感器廠商大多規模較小，研發能力有限，多為代工廠。關鍵在于生產工藝和基材選擇，油墨噴涂與模材技術路線分化。
柔性傳感器膜材技術因其可制作為單層復合布，具有低噪聲等優點，適用范圍更廣，潛在市場包括座椅廠和床墊廠。
二、專家解疑
Q:東莞墨線公司為特斯拉人形機器人提供了何種類型的電子屏樣品?其應用場景是什么?
A:東莞墨線公司為特斯拉提供的樣品是柔性傳感器，尺寸約為1×2厘米，主要用于測試傳感器的靈敏度和加工潛力。這些傳感器的具體應用場景是在機器人手指上，雖然提供的樣品密度較低，每平方厘米約有七八十個點，但與高密度傳感器相比，它們由高分子材料構成的硬版結構，內部支撐為硬質材料。 ? ?
Q:在特斯拉發布的視頻中，人形機器人的手指能捏起雞蛋使用了什么類型的傳感器?
A:根據視頻內容，特斯拉人形機器人手指捏起雞蛋似乎采用了高密度的壓力陣列傳感器，而非柔性傳感器。盡管傳感器可能外部覆蓋軟材質(如硅膠或橡膠),但內部具有硬質支撐結構以實現抓握物體。理論上，柔性傳感器也可能實現這一功能，但實際應用中可能是壓力傳感器。
Q:目前其他人形機器人產品在柔性傳感器上的應用情況如何?
A:除了特斯拉，其他人形機器人的具體應用情況并不明確。一些機器人可能在手上使用了壓力陣列，例如帕西尼公司的柔性傳感器。他們的手掌和手指采用壓力傳感器技術，如果作為成品銷售，單點傳感器的成本可能在幾百元左右，但目前似乎還未進入量產階段。
Q:在性能、成本和技術上，柔性傳感器、MEMS和霍爾傳感器有何差異和優勢?
A:MEMS和霍爾傳感器由于需要高精度的檢測鏈路和復雜的制造工藝，成本較高。相比之下，柔性傳感器，尤其是高分子薄膜類型，成本可能僅為MEMS和霍爾傳感器的二三十百分比。在技術性能方面，各類型傳感器的精度各異，MEMS和霍爾傳感器可能具有較高精度，而柔性傳感器的精度可能較低，大約在正負10%左右。然而，柔性傳感器的優勢在于成本控制，其監測的是壓力，工作原理相對簡單，因此整體成本可以保持在較低水平。當前市場上的傳感器方案包括壓阻、壓電、電容以及壓力陣列傳感器。
Q:請比較壓阻式、壓電式和電容式傳感器的工作原理及其適用場景。
A:壓阻式傳感器適用于監測恒定的壓力變化，如在受到一公斤力時，電阻會穩定在對應的值上，只需測量電壓即可。壓電式傳感器則適合于監測頻繁變化的場景，如心跳，因其壓電材料在受壓時會產生微小電流，但這種電流會在壓力消失后消失，其敏感度可達幾微克。至于電容式傳感器，其原理與壓阻式相似但更復雜，因為它對兩極間距的變化非常敏感，監測難度較大，電路設計也更為復雜。此外，電容式傳感器的一次性制造難度較大，不易于量產。 ? ?
Q:柔性傳感器的點位是什么?在應用中，例如機器人手指，通常會布置多少個點位?
A:點位是指傳感器上用于檢測壓力的特定位置。在某一特定區域，比如一個機器人手指的指尖，可以設置多個點位。以11毫米×8毫米的面積為例，可能布設有96個點(形成12×8的陣列),這樣就能感知該區域不同位置的壓力變化。這種傳感器通過電阻陣列實現，每個交叉點覆蓋壓敏材料，而非整個設備。這樣的設計能夠生成詳細的壓力分布圖像。對于機器人應用，傳感器的布置取決于其功能需求，有些機器人可能只需要在指尖布置，而有些可能需要在整個手部和手背都布置點位。
Q:制作覆蓋整個手部的柔性傳感器大約需要多少成本?
A:成本會根據功能需求和點位數量的不同而變化。如果是單個手指的機器人應用，可能只需在幾個手指上布置傳感器。目前尚未見到對手掌傳感器的明顯需求，因此僅考慮手指部分。一個全手版本的柔性傳感器大約需要2000-3000元人民幣的成本。
Q:除了手部，你認為柔性傳感器還可能應用于身體的哪些部位?
A:除了手部和腳部，機器人其他大面積部位如胸部或背部可能不需要過于密集的點位布置，可能只需幾個點位用于碰撞防護功能。相比之下，由于手部和腳部的敏感性，需要更高密度的點位覆蓋。然而，目前胸部或背部的防撞需求較低，這些功能可能通過其他技術，如激光雷達來實現。如果僅用于大面積部位的檢測，成本可能相對較低，可能只需幾百元。
Q:在未來的技術路線中，哪種柔性傳感器的應用可能性更高?與MEMS和霍爾傳感器相比，柔性傳感器有何突出優勢?
A:柔性傳感器的主要優勢在于其電路板可以使用可彎曲材料，如PIA或PT材料，能夠適應不平整的表面，適合于多曲面布置。相比之下，MEMS和霍爾傳感器可能更適用于平面應用。因此，柔性傳感器更適合于那些不需要硬質外觀，并有曲面或多曲面貼合需求的場景。 ? ?
Q:當前的柔性傳感器主要檢測壓力功能，是否有客戶開始關注檢測溫度、濕度等其他皮膚感知功能?
A:目前收到的需求主要集中在壓力檢測方面，暫時還沒有關于溫度和濕度檢測的客戶需求。溫度和濕度的檢測有許多其他方法，不一定需要依賴安裝在皮膚上的傳感器。
Q:能否簡單介紹一下柔性傳感器的生產工藝和零部件生產過程?
A:柔性傳感器的生產首先需要確定基底材料并規劃電路走線；大多數傳感器需要布線設計。接下來是選擇壓阻材料，電容型傳感器的設計相對簡單。目前有三種主要的壓阻材料方向：一是使用導電油墨，雖然成本較高且品控復雜，工藝涉及涂抹、測量和干燥等步驟，但導電油墨的一致性難以保證。二是采用高分子膜，其在任何地方的貼合能力使其在批量生產中更為簡單和低成本。三是軟磁體材料，盡管材料本身便宜，但配套的霍爾器件布局和監測較為復雜和昂貴。在數據處理方面，數據量通常不大，可以使用低端的MCU進行處理，無需高級的SOC。至于硬質元件，如果貼在柔性電路板上，輕微的彎折可能導致元件脫落，因此不太適合大規模生產。
Q:柔性傳感器的技術發展歷程和未來趨勢是什么?
A:柔性傳感器在國外的研究歷史可追溯到二三十年前。初期，其主要應用于床墊和座椅上，以監測壓力分布和人體姿態。然而，其在機器人和工業領域的應用則是最近幾年才開始興起的。展望未來，柔性傳感器可能會朝著小型化、高精度的方向發展，并有望在各種工業領域實現廣泛應用。
Q:柔性傳感器的核心技術和生產難點在哪里?
A:柔性傳感器的核心技術在于基底的一致性，確保生產出的產品在數字穩定性和溫度穩定性上達到高標準。關鍵挑戰在于傳感器的制造難度，部分傳感器對高溫敏感，無法采用熱壓工藝處理。此外，如何有效地與其他產品集成也是一項難題。材料一致性通過配方設計和高速混料機來實現，旨在使導電材質均勻分布。核心問題在于能否實現大規模生產和自動化組裝。 ? ?
Q:降低柔性傳感器成本的策略有哪些?
A:降低成本的關鍵與生產效率緊密相關。通過一次性生產大面積產品并進行裁切，可以顯著降低成本。同時，提高生產過程的自動化程度也是關鍵，這能夠減少人工成本并提升效率。傳感器需要具備良好的切割性能，且工藝流程需達到自動化水平以降低生產成本。核心策略包括生產大面積的壓阻材料和實現生產自動化。
Q:基底材料的制造過程主要包括哪些步驟?
A:基底材料的制造過程涉及摻雜導電材料、混合材料以及通過熱加工形成卷對卷的材料。這個過程大致可以分為三個主要步驟：材料混合、基底準備和熱壓處理。配方調配是這一過程中至關重要的環節，而大規模生產則是降低成本的有效途徑。
Q:柔性電路板的制作過程是怎樣的?
A:柔性電路板的制作過程取決于客戶的具體需求。通常有兩種方案可供選擇：一種是絲網印刷法，適用于面積較大且點密度不高的情況；另一種是光刻工藝，適用于需要高密度點陣的應用，如手指尖端的傳感器。這些過程中通常會添加銀線或銅線，其中非常細的線需要通過精細工藝來制作。在完成電路板制作后，會在其上覆蓋之前提到的導電混合材料。在這個過程中，工藝的精度對產品質量有直接影響。
Q:如何將柔性傳感器貼在機器人表面?
A:一些制造商建議在傳感器上添加背膠，以便直接粘貼在相應的表面。這種做法取決于客戶的特殊需求。在實際應用中，粘貼方法應適應各種使用場景和要求。
Q:國內一些人形機器人的零部件供應商，如拓普和三花智控，已經開始研發電子皮膚。我們是否嘗試與他們合作，以進入特斯拉供應鏈? ? ?
A:目前，我們尚未與拓普集團或三花智控在這方面進行合作。
Q:在國內其他機器人企業方面，我們是否有過前期接觸或合作?例如優必選。
A:截至目前，我們尚未收到優必選等廠商的聯系。
Q:國內柔性傳感器市場的規模及其未來發展前景是什么樣的?
A:除了在機器人領域的發展外，柔性傳感器在未來還有望應用于床鋪和座椅等領域。例如，通過結合床鋪和座椅內部的高密度點位檢測進行調節，這是我們接到需求最多的兩個領域。實際上，新能源汽車座椅的需求最大，主要集中在汽車領域。
Q:中國柔性傳感器的技術水平與海外廠商相比有何差異?
A:國內與海外廠商在技術上的主要差異在于價格。外國廠商的產品定價通常較高，主要供應給研究機構進行壓力分布的設備，似乎并未打算大規模應用于消費品。而國內產品的性能與國外產品相差不大。
Q:在柔性傳感器產業鏈中，哪個環節的廠商可能獲得最大的產業鏈紅利?
A:掌握關鍵壓鑄材料制造的廠商可能會獲得最大的紅利，因為他們控制了傳感器中最關鍵的部分。壓阻或壓電等材料的生產較為困難，雖然電路相對容易復制，但柔性基底和壓阻材料的大規模生產更具挑戰性。目前，導電薄膜的供應商稀少，我們公司與制印廠合作供應薄膜材料。
Q:國內柔性傳感器廠商的能力和競爭格局如何?例如南斯達和深圳立改等廠商。A:我們與南斯達和深圳立改等廠商有一些合作。他們的技術路線主要集中在導電油墨的方向。配方是生產柔性傳感器的核心壁壘，其重要性和難以復制性決定了廠商的競爭地位。
專家解疑(二)
Q:特斯拉最新發布的觸覺傳感器與電子皮膚在技術上有哪些區別? ? ?
A:特斯拉的觸覺傳感器引起了廣泛關注，但與電子皮膚存在根本差異。特斯拉的傳感器主要部署在手指尖和關節處，采用傳統的硅基材料，這些材料堅硬且屬于較為成熟的技術領域。相比之下，電子皮膚側重于柔韌性和多功能感知能力，旨在模仿人類皮膚的功能。目前的大多數技術只能實現單一感知功能，如溫度或濕度感應。因此，特斯拉的產品可被視為觸覺傳感器或陣列，但并不完全等同于全面的電子皮膚。
Q:您如何看待觸覺傳感器的終極研究目標?
A:觸覺傳感器的終極研究目標是模擬人類皮膚的多功能感知能力，包括但不限于溫度、濕度、壓力感知，甚至更高級別的感知功能，如針刺感或粗糙度識別。盡管當前市場上的產品大多局限于單一觸覺功能，無論是特斯拉的解決方案還是其他電子皮膚技術，都仍處于這一發展階段。然而，已有研究正在朝著這一終極目標邁進。
Q:目前市場上的柔性觸覺傳感器產品與人形機器人的應用之間是否存在技術共性?國內如奧迪V和蘇州能思達公司的產品與海外公司有何差異?
A:國內公司如能思達，主要專注于柔性觸覺傳感器的研發，這在技術原理上與人形機器人的應用存在共性。這些公司近年來也在積極投入電子皮膚的研究。在技術上，他們采用的工藝流程與海外主流公司基本相似。然而，在技術成熟度、性能質量和創新能力等方面，與國外領先公司相比，仍存在一定差距，但這個差距正在逐步縮小。
Q:評估觸覺傳感器和電子皮膚的產品差距時，我們應該考慮哪些方面?
A:評估觸覺傳感器時，應考慮其靈敏度、量程、一致性、重復性、信噪比、線性度、可靠性、使用壽命以及在不同使用環境下的性能表現等關鍵指標。
Q:您了解國內的能思達公司和國外主要競爭對手在銷售規模上的情況嗎?
A:具體的銷售規模數據我不清楚，因為像能思達這樣的公司通常不會公開財報信息?？傮w來看，無論在國內還是國外，這個市場相對較小眾，因此銷售規模不會特別大。國外的頭部公司，如txt和因特利克，采用的產品路線與國內公司相似，形成直接的競爭關系。 ? ?
Q:國內外在觸覺傳感器的技術路線和核心材料上有哪些共同點和差異?
A:當前，國內外主流的柔性觸覺傳感器均采用壓阻式工作原理，其基礎結構包括壓敏材料(如亞米碳漿)、柔性基底、印刷電極、隔離層和封裝層等組成部分。在核心材料上，壓敏碳漿是區分不同產品的關鍵因素，直接影響傳感器的靈敏度、可靠性和各項性能指標。各家公司之間的差異主要體現在碳漿的性能上。
Q:在人形機器人領域的柔性觸覺傳感器方面，國內外的主要差距體現在哪些層面?
A:國內外的主要差距主要表現在三個方面：一是亞米碳漿層的材質質量和性能表現；二是傳感器的結構設計和制程工藝的精細控制；三是后端算法的解析能力和效率。材料和結構是決定器件性能的關鍵因素，而算法則直接影響其在實際應用中的性能表現。
Q:在壓力材料、結構設計以及軟硬件結合這三個領域中，像海外的頭部企業和國內的能思達等公司，他們各自掌握哪些核心技術?是否存在外購或外包的情況?
A:行業內的領先企業通常自主掌握這三方面的核心技術，包括核心材料的配方和制程工藝、傳感器的結構設計和制造，這些都是技術壁壘的核心部分，并且通常在公司內部進行嚴格控制。算法同樣重要，但在某些特殊情況下，如客戶為互聯網大廠且希望保護自己的具體用途或者具備自行處理算法問題的能力時，可能會選擇外包，但這種情況相對罕見。大部分情況下，傳感器提供的服務是定制化的，很少有只提供器件而不參與開發的情況。
Q:關于壓敏材料的技術壁壘，具體體現在哪些方面?
A:壓敏材料的技術壁壘主要在于配方的獨特性和制程工藝的精細控制，這些往往是各家公司的核心機密。在生產過程中，所需的設備通常是化工類的通用生產設備，并非特別高端或獨特。
Q:柔性觸覺傳感器的生產成本是如何構成的?是否存在降低成本的可能性? ? ?
A:傳感器的成本與客戶需求的復雜性、所需功能的數量和面積大小直接相關，因此難以進行統一的拆分。以一個具體的例子來說，一個包含43個模組和40個陣列點的傳感器模組，其成本大致由以下部分組成：傳感器材料占40%,生產制造占30%,算法和軟硬件等其他部分占30%。目前由于行業訂單量較小，多為小批量生產，但如果未來能夠實現大規模批量生產，無論是材料成本、制造成本還是軟硬件算法部分的成本，都有可能大幅度下降。
Q:針對人形機器人專用的柔性觸覺傳感器，其定價基準是什么?是否存在標準化的定價體系?
A:當前，柔性觸覺傳感器的定價并未實現標準化，而是根據每個客戶的具體需求進行定制。定價過程中會考慮機器人所需實現的功能、性能要求、精度和復雜性，以及最終設計的元件數量和布局面積等因素。因此，目前并沒有統一的標準產品或標準價格。
Q:在定價方面，你們主要考慮哪些因素?一個配備電子皮膚的基礎機器人的定價大概是多少?
A:我們在定價時主要考慮機器人的功能實現復雜度、結構設計以及所配置的傳感器模組數量等因素。價格是根據機器人各方面的定制需求來確定的。以前的一個項目為例，客戶的機器人搭載了8塊傳感器模組，每塊模組的價格大約為3000元人民幣，因此僅傳感器成本就接近3萬元人民幣。當然，最終的價格會因其他零部件的成本而有所變化。
Q:如果需要對機器人全身進行傳感器覆蓋，成本會是多少?量產會對成本有何影響?
A:若以這8塊模組全身覆蓋計算，一個機器人所需的傳感器成本約為2.4萬元人民幣。當生產量達到標準化，產品數量足夠大，如百萬臺級別時，傳感器的價格將會大幅下降。這是因為標準化生產能顯著降低材料和生產成本，同時前期的研發費用可以分攤到更多的產品上。預期降價幅度會非常大，理論上價格可能降至1000元以內。
Q:人形機器人在使用觸覺傳感器的需求和成本估計是怎樣的?
A:對于人形機器人，除了手指等需要高靈敏度的部位外，理想情況下，四肢、前胸、后背等外露部位也期望進行全面覆蓋以實現類似人類的觸覺感知。然而，由于不同客戶對功能要求的復雜度各異，確切的成本估計較為困難?？傮w來說，目前這種高級觸覺傳感器對機器人而言成本較高，至少在2.4萬元以上。 ? ?
Q:關于人形機器人使用的柔性觸覺傳感器的柔性基底材料，如PI,您如何看待其老化問題和使用壽命?
A:PI和其他高分子材料具有良好的耐候性和抗老化性能，作為電子皮膚，這些高分子材料能夠匹配機器人的使用壽命。通常，這些傳感器采用模塊化設計，易于更換。在正常使用條件下，我們的柔性觸覺傳感器在功能上可承受上百萬次觸覺，并且在未發生意外損壞的情況下，其壽命不應成為問題。
Q:國內外有哪些企業在開展柔性MEMS傳感器的研發與生產?在技術層面，將MEMS傳感器應用于人形機器人的靈活手(靈巧手)存在哪些技術壁壘?
A:在國內，深圳帕希尼是一家在機器人領域專注于數據傳感器研究的公司；國外如xella公司的產品與特斯拉的相關產品基本相似。在技術壁壘方面，MEMS傳感器的難度比傳統的觸覺傳感器更高，因為它們需要實現更靈敏和精確的多向力檢測及實時反饋。雖然技術底層原理相同，但要達到行業先進水平，例如生產3納米芯片所需的技術成熟度和研發投入是非常高的。
Q:柔性傳感器是否能用于人形機器人以實現與人的互動?
A:確實，柔性傳感器能夠實現與人的互動?，F有的智能玩具已經通過配備電子皮膚與兒童進行互動，例如通過觸碰產生反應。因此，將柔性傳感器應用于人形機器人中，可以顯著提升其與人類交互的能力。
Q:在生產柔性觸覺傳感器時，導電銀漿的成本和使用量如何?光伏行業的銀漿能否用于制造此類傳感器?
A:雖然導電銀漿在傳感器中起到輔助作用，而非核心材料，但由于其用量相對較小，因此即使其材料成本較高，對傳感器總成本的影響也相對有限。理論上，光伏行業的銀漿可以用于制造柔性傳感器，因為兩者都具有導電功能，但可能在純度和其他特定要求上存在差異。 ? ?
Q:人形機器人的柔性觸覺傳感器在結構設計上是否會對其靈敏度和量程產生影響?國內廠商在這方面與海外廠商是否存在明顯差異?要達到國外的水平，難度有多大?
A:在柔性觸覺傳感器領域，結構設計是關鍵因素之一，它確實會影響產品的靈敏度和量程。目前，國內外制造商在結構設計上可能存在相互借鑒的現象，但主要差異體現在制造工藝和材料選擇上，如亞米碳漿層的涂覆和圖案制作精度等，這些因素決定了傳感器的性能。盡管存在差距，但也可以說各有優勢。要縮小這一差距，需要在精度控制和材料選擇上做出努力。
Q:行業內對觸覺傳感器的靈敏度和量程是否有具體的標準?在精度方面如何劃分?
A:行業內尚未制定統一的標準來規范靈敏度和量程，不同公司會根據所使用的材料和結構設計推出各種規格的產品。通常，柔性薄膜觸覺傳感器單個觸覺點的量程可達到幾十到幾百牛頓，并能檢測從幾克到幾十公斤的力度范圍，這已是行業普遍的產品水平。至于精度方面，沒有具體的標準，主要取決于信噪比和算法解析能力。
Q:國內如優必選等企業在電子皮膚技術方面的發展情況如何?他們的解決方案是否已經成熟?
A:優必選公司的電子皮膚方案應用于人形機器人，對量程、靈敏度和分辨率的要求極高。該方案目前仍處于實驗室階段，尚未大規模發布。該產品功能豐富，包括實現跳躍動作、平衡能力和高級人機交互，屬于非常前沿的技術。與特斯拉觸覺傳感器相比，兩者實現的功能不同，不具備可比性。至于具體的規格和價值范圍信息，由于產品尚未發布，目前無法透露。然而可以肯定的是，該產品旨在實現復雜的功能，對精度要求更高，且力求提供類似真人皮膚的觸感體驗。
Q:對于觸覺傳感器的要求中，陣列密度為1毫米×1毫米，檢測范圍從0.1牛每平方厘米到240牛每平方厘米，這是否是一個高難度的標準?目前廠商是否有能力達到這樣的標準? ? ?
A:目前，實現0.1牛到240牛的寬量程范圍是可能的，但是要精確檢測到0.1牛的微小力值則具有相當的挑戰性，因為這需要傳感器具備極高的靈敏度。這個標準非常嚴格，因為它同時要求高靈敏度和大承載力，這兩者在技術上存在矛盾，給設計和制造帶來了很大的困難。盡管一些公司能夠實現單個點的高密度和高靈敏度，但要在多個陣列中實現同步協調就更為復雜。因此，這是一個極具挑戰性的指標。
Q:在材料技術方面，銀漿、導電碳納米管、碳纖維等是否被用于提升觸覺傳感器的性能?各廠商之間是否存在差異?
A:銀漿主要用作電極材料，而非壓力感應層。在觸覺傳感器的敏感層中，常用的導電填料主要包括碳系材料，如碳黑、碳納米管、石墨烯和石墨，這些材料與高分子樹脂結合形成基體，并包含功能填料以優化微結構，從而提高傳感器的靈敏度和量程。雖然碳材料技術本身沒有明顯的門檻，但配方調配卻是每家公司的核心技術或商業機密。
Q:請您舉例介紹一下國內在柔性觸覺傳感器領域表現優秀的公司，他們分別處于哪個發展階段?有哪些初創公司在技術和市場表現上較為突出?
A:在國內，能思達是較早進入并持續專注于柔性觸覺傳感器領域的公司之一。其他如深圳的力感科技，其產品與能思達大致相當；東莞的墨線科技和黃埔材料研究院也在該領域表現出色，專攻柔性觸覺傳感器的研發。其中，墨線科技在技術實力、團隊建設和資源支持等方面表現尤為突出。此外，深圳的一號公司雖然不專門從事柔性觸覺傳感器業務，但在觸覺開關等細分市場中占據領先地位。這些公司都值得關注，整體來看，他們在技術實力上較強。
國產柔性傳感器主要廠商&簡介
能斯達電子：國內少數柔性傳感器產業化水平較高的企業
能斯達電子是我國氣體傳感器龍頭企業漢威科技旗下控股子公司，專注于柔性微納傳感技術的研發和產業化，是國內少數柔性傳感器產業化水平較高的企業，方面具有國際領先水平。 ? ?
能斯達電子獲得小米長江產業基金、易方新達創業投資、共青城國謙成等多個知名分享資金投資
目前能斯達電子已建立了穩定的納米敏感材料體系，掌握了柔性壓阻、柔性壓電、柔性溫濕度、柔性電容四大核心技術，確立了柔性壓力傳感器、柔性壓電傳感器、柔性織物、柔性應變傳感器、柔性溫濕度傳感器、柔性熱敏傳感器、柔性電容傳感器七大產品系列，擁有百余項核心專利，擁有一條年產1000萬支柔性傳感器的超凈印刷線和組裝線。
鈦深科技：擁有全球最靈敏、最柔性的觸覺傳感技術
鈦深科技成立于2018年，是一家致力于工業、消費電子、健康、醫療等各個行業高精度和超柔性壓力傳感器方案的傳感器企業。
鈦深科技開發并擁有全球最靈敏、最柔性的觸覺傳感技術-柔性離電式傳感技術（FITS），能夠提供實時的、高質量的、低噪聲的觸覺/壓力信號，并擁有全柔性、光學透明及超薄封裝等物理特性。
三三科技：打破柔性薄膜制備技術卡脖子局面
三三科技成立于2018年，以柔性薄膜傳感技術為核心，是智能柔性傳感技術及行業應用解決方案提供商。
三三科技擁有核心材料、設備設計等相關的核心制備工藝技術自主知識產權，經第三方檢測，柔性薄膜產品性能指標已達國際水平。打破了長期以來因薄膜制備技術被美國、日本、法國等國家掌握而卡脖子的局面，填補了國內空白。
力感科技：中國科學院孵化的柔性傳感創新型企業
力感科技成立于2016年，是一家中國科學院孵化的創新型企業，2017年獲中國科學院先進技術研究院優秀青年創新基金一等獎。 ? ?
力感科技不斷探索力感應技術在多個應用的潛在價值，比如：智能筆、智能小家電、睡眠監測器、壓力分布等智能睡眠設備，開發出智能床墊傳感器、硬件開發模塊等產品，服務于智慧養老、保健康復等領域。
慧聞科技：具有較強的柔性傳感器研發實力
慧聞科技成立于2014年，是國內少數能夠提供人工嗅覺解決方案的智能傳感器企業。
慧聞科技目前已研發出針對多種有毒有害氣體的傳感器芯片及相應的檢測模塊，在昆山建成了MEMS氣體傳感器、熱電堆溫度傳感器、柔性壓力傳感器、紅外CO2傳感器模組、激光PM２.５傳感器生產線，目前其它MEMS傳感器也將陸續量產?；勐効萍嫉娜嵝詡鞲衅髦饕侨嵝员∧毫鞲衅?，應用于TWS耳機、手機、電動牙刷等消費電子領域。
此外，慧聞科技與中科院、清華等單位共同承擔科技部2030“面向新一代人工智能的新型感知器件和芯片技術”重大科技專項、2021年牽頭承擔了科技部十四五“智能傳感器”重點研發計劃等國家重大研發工程，具有較強的研發實力。
韌和科技：國內率先從事彈性電子材料與器件產業化的公司
韌和科技成立于2018年10月，是中科院寧波材料所孵化的科技型企業，也是國內率先從事彈性電子材料與器件產業化的公司。主要從事彈性電子材料、器件及其在智能服裝、智能家居、智能體育、智慧微電流技術應用及智能機器人等領域的相關應用技術開發。
韌和科技研發出了國際先進的彈性應變傳感器、彈性導線等關鍵器件，其柔性傳感器主要應用在服飾及可穿戴設備領域，開發出了智能壓力床墊、智能壓力鞋墊、手套、運動褲、呼吸帶等產品，內置的柔性傳感器能感知壓力、心率、呼吸等信息。
2022年騰訊RoboticsX實驗室在觸覺傳感器領域的相關研究
在與清華大學合作的論文
《Large-ScaleIntegratedFlexibleTactileSensorArrayforSensitiveSmartRoboticTouch》中，研究者將基于PRF的64×64柔性傳感器陣列與基于憶阻器的CIM芯片集成，開發一個智能機器人觸控系統，在硬件中實現高達98.8%和97.3%的手寫數字和漢字識別準確率。其中PRF是混合多壁碳納米管（MWCNTs）與熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）在低溫下合成的，上表面的自形成微結構靈敏度高、壓力檢測范圍廣、響應速度快且循環性優秀。論文被ACSNano收錄。 ? ?
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06432
設計思路與技術細節
PRF自形成微結構的表面粗糙度為8~10μm，這一規模遠遠小于以往工作中的典型可控微結構（如金字塔）。對于壓力傳感器陣列中尺寸為0.9×0.9mm^2的像素而言，PRF表明可被認為相對較為平坦的。通過將PRF與4英寸單壁CNTTFT的有源矩陣集成，構建了超高空間分辨率的柔性觸覺傳感器陣列，可以進一步用于識別仿真蜜蜂的足跡。下圖I-1展示了智能機器人觸控系統。
圖I-1。
如上文所述，MWCNTs和TPU的復合材料被用來合成高性能PRF，并通過溶液混合方法分別選擇N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基甲酰胺（DMF）作為MWCNTs和TPU的溶劑，以實現高濃度MWCNTs（至少14%）并均勻地混合到TPU彈性體中，同時避免了MWCNTs團聚問題。
下圖I-2a展示了PRF的結構，分為兩個不同的區域，一是具有粗糙表面形態的上區域（即自形成微結構），隨機排列的MWCNTs被TPU包裹；另一是具有平坦表面形態的下區域，其中被均勻分散在TPU中的MWCNTs填充。為了確認上表面的自形成微結構，研究者分別檢查了PRF上下表面的形態和粗糙度，如圖I-2b、c所示。圖I-2d、e分別展示了分散液中原始MWCNTs和PRF中MWCNTs/TPU復合材料的氦離子束顯微鏡（HIM）圖像。圖I-2f-h進一步研究了PRF薄膜的橫截面，其中清晰可見兩個不同的區域。 ? ?
圖I-2。
PRF的上區域主要是TPU包裹的MWCNTs，而下區域主要是MWCNTs與TPU的聚合物，這種特殊結構可以大大增強壓力傳感性能。為了測量PRF的靈敏度，研究者將它夾在兩個金屬電極之間，然后測量0~1400kPa范圍內不同施加壓力的電流響應，其中很多機器人應用（如圖I-3g的機器狗）需要更大的壓力范圍。圖I-3e展示了1500次循環的可循環測試，圖I-3f展示了測試中多個循環的放大效果。研究者更是對另一個PRF樣品進行3000次循環的測試，驗證PRF具有很強的耐用性和穩健性。圖I-3h中使用PRF壓力傳感器（6%濃度的MWCNTs）進行人體脈搏監測實驗，以展示其超高的靈敏度。 ? ?
圖I-3。
研究者開發的PRF具有出色的壓力傳感特性并成為高性能觸覺傳感器的絕佳選擇。除了常規正向壓力檢測外，PRF還可以被組裝成一個陣列，并通過計算陣列中每個傳感器上施加的壓力來檢測力的方向。
識別蜜蜂足跡、手寫數字和漢字分類
機器人觸控通常需要具有高空間分辨率的大型集成式壓力傳感器陣列，因此研究者將低溫處理后的PRF與單壁CNTTFT制作成64×64有源矩陣集成，以構建4英寸的大型集成式壓力傳感器陣列。其中，有源矩陣首先使用涂覆在4英寸硅底片上的PI薄膜上制作。
下圖I-4a-c展示了CNTTFT有源矩陣的示意圖，圖I-4d為晶體管溝道中高密度CNT薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，長8μm、寬100μm，圖I-4e為從底片上剝離后的有源矩陣的示意圖。圖I-4i展示了傳感器陣列上仿真蜜蜂（重量6.7克、足寬約0.55mm）的足跡識別，它的六只腳在壓力傳感器陣列上的位置中被正確識別。圖I-4j放大左后腳，可以看到陣列中八個傳感器像素被施加了不同的壓力。 ? ?
圖I-4。
除了識別與物體形狀相關的壓力圖之外，收集的傳感器數據還可以幫助識別數據表示的模式。通過進一步將傳感器陣列與AI硬件集成，并利用深度學習算法進行高效數據處理，從而在顯著降低功耗和延遲的情況下實現未來的邊緣或近傳感器計算。
如下圖I-5a所示，研究者將基于PRF的64×64傳感器陣列與基于憶阻器的CIM芯片集成，構建了一個用于智能機器人觸控的觸覺硬件系統原型，用于采集和識別手寫數字或漢字等字符。圖I-5b展示了所采用的一款全系統集成的CIM芯片，采用130nmCMOS工藝制成，圖I-5c展示使用約160k的憶阻器實現784×100×10的多層感知機（MLP）。在寫入一個數字期間記錄的所有幀被組合生成一幅像素為64×64的圖像，如圖I-5d所示。研究者共收集了3099張手寫數字圖像，隨機選擇其中的2598張作為訓練集，其余501張作為測試集。結果顯示，訓練與測試的準確率分別達到了99.2%和98.8%，與軟件模擬中實現的數值相當。 ? ?
除手寫數字之外，研究者使用壓力傳感器陣列以類似的方式收集更復雜的字符圖案（例如漢字）并進行分類識別。他們選取九個漢字（清華大學微納電子系），通過在64×64傳感器陣列上書寫收集了900張圖像（每個漢字100張）的數據集。結果顯示，這些漢字的分類準確率達到97.3±1.0%。
圖I-5。
柔性TENG式觸覺傳感器：自供電無線傳感電子貼紙
在實現物聯網連通萬物的過程中，基于電磁波的無線傳感技術面臨著挑戰。如下圖II-1所示，當前無線系統包含傳感、信號調制、無線傳輸以及供能與能量管理四個模塊，造成剛性和體積龐大的電子元件。雖然可以使用可拉伸柔性電子設備來解決柔體-剛體接口問題，但大多數仍由本質上剛性的組件或設備組成，限制了電子皮膚和可植入醫療設備等應用場景。這些電子元器件的總能耗也較大，因此需要電池或電纜提供電力，給實施和維護造成不便，引起可持續性和環境問題。 ? ?
圖II-1。
這時，新興的摩擦納米發電機（TENG）技術進入了視野，它可以通過額外的位移電流項來觸發無線信號的產生和傳輸。TENG可以同時高效地捕獲機械能和運動信號，無需額外的電源和傳感模塊。電磁波發射的功耗通常小于1mW，這可以通過TENG收集的典型動能輕松實現，使設備完全自供電。
在與香港中文大學合作的論文《Aparadigmshiftfullyself-poweredlong-distancewirelesssensingsolutionenabledbydischarge-induceddisplacementcurrent》中，研究者基于TENG觸發的擊穿放電提出一種范式轉換策略，研發一種自供電無線傳感電子貼紙（SWISE），它可以將上述所有模塊的功能集成在一個微型單元中，如下圖II-2左所示。為了實現放電感應信號的產生，兩個具有放電尖端的鏡像對稱金屬電極夾在基底膜和摩擦電荷層膜之間，FEP薄膜和PDMS分別用作摩擦電荷薄膜和基底。該器件的總厚度可降至95μm，兩個電極之間的間隙距離被控制在10到500μm。論文被ScienceAdvances收錄。 ? ?
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi6751
研究者使用非光刻和光刻方法制作不同的SWISE器件，具備了?。ǖ椭?5μm）、?。ǖ椭?mmx9mm）、輕（低至16mg）、柔軟、可變形等特點。與以往各種工作相比，SWISE通過擊穿放電產生了快速變化的極化項，體積尺寸最小，有效傳輸距離最長，如下圖II-2右所示。
SWISE避免了中間步驟的額外功耗，完全由捕獲的信號作為能源實現自供電，無需任何外部電源輸入。同時，通過區分不同設計參數和氣體成分產生的信號來實現多點運動傳感和氣體傳感的能力。得益于多點傳感能力，SWISE的量產可用于自供電無線鍵盤和智能腕帶等應用。
圖II-2。
SWISE的原理、系統評估與氣體環境實驗
SWISE的工作原理是這樣的：在手指輕輕滑動的驅動下，無需任何外部電源即可通過放電過程將輸入的運動信號直接轉換為電磁信號，展現完全自供電能力。當被觸發時，摩擦起電在摩擦電荷層中產生負電荷。由于靜電感應電荷，電極之間產生電場，在尖端周圍具有最高值，如下圖II-3A中的COMSOL模擬結果所示。同時強電場產生擊穿放電，幅度和上升時間由SWISE中的環境和結構因素決定。擊穿放電產生高頻位移電流，因而感應到無線電磁信號。
接著生成的無線信號通過連接到示波器（作為接收器）的遠程線圈來捕獲和測量。典型信號的時間響應如圖II-3B所示，使用快速傅里葉變換的頻率響應如圖II-3C所示，其中信號頻譜分布在數百兆赫茲，主要在甚高頻（VHF）頻帶，而接收器中的諧振頻率集中在10MHz左右。
SWISE生成信號的特性如圖II-3D所示。為了方便研究各種因素的影響，研究者在一個獨立滑動式TENG（FS-TENG）上連接兩個尖端電極進行放電（即擊穿放電器）。FS-TENG由固定在光學平臺上的線性馬達驅動，其滑塊移動距離、速度、加速度可被精確。而當通過滑動運動部件觸發FS-TENG時，產生了電場并實現擊穿放電。接收器的諧振頻率保持在了10MHz左右。研究者證明了SWISE可以全方向地傳輸無線信號，并且在每個方向上檢測到的信號強度幾乎相同，如圖II-3E所示。 ? ?
圖II-3。
環境因素對放電行為產生了很大影響，并可能影響無線信號?；诖?，研究者系統研究了氣體類型的影響，實驗平臺如下圖II-4A所示。為了創建一個純凈的氣體環境，擊穿放電器被放置在一個由FS-TENG驅動的腔室中。研究者測試了下圖II-4C中的4種純凈氣體和6種混合氣體，它們的典型信號波形如圖II-4B所示。過程中，通過重復擊穿放電收集這10種氣體環境的數據，每種收集100組數據。每組數據都是電壓-時間波形，共包含大約2500個數據點。 ? ?
在分析過程中，研究者使用深度學習方法。通過建立雙向長短期記憶模型，對不同氣體環境的數據進行分析以識別氣體。每種氣體環境的100個數據集隨機分為兩組，80個用于訓練，20個用于測試。結果顯示對每種氣體的識別都獲得很高的識別率，總體識別準確率達到98.5%，如圖II-4C所示。在此基礎上，研究者預測深度學習方法可以用來區分來自腔內具有不同氣體成分的多個SWISE的無線信號，這可能實現對SWISE傳感陣列的氣體傳感和多點運動傳感能力。
圖II-4。 ? ?
無線運動傳感、自供電無線柔性鍵盤和智能腕帶
得益于重量輕、靈敏度高、成本低、柔性和可變形等特點，SWISE可以廣泛應用于信號傳感和傳輸，無需額外供電。研究者展示了一些自供電無線傳感應用。
首先SWISE制備成電子皮膚，用于檢測運動并即時傳輸放電感應的電磁波信號，具有傳輸距離遠的優點。如下圖II-5A所示，無線電磁信號可以被遠距離傳輸超過10m的接收器檢測到，其中SWISE由手指的輕柔運動驅動。圖II-5B為基于SWISE的電子皮膚和智能手環的整體圖解。SWISE電子皮膚可以服帖的集成在人體不同位置，如手臂、肘部、腿、腳踝和頸部，用以檢測身體運動，如圖II-5C所示。
憑借無線傳感技術的完全自供電能力、最小尺寸和最長有效傳輸距離，柔性、低成本和高可擴展性，這項工作將在機器人、可植入和可穿戴電子設備、醫療保健、智能家居、智慧城市、工業4.0等領域展現出巨大的應用潛力。 ? ?
柔性電容式觸覺傳感器：實現傳感器-軟機器人無縫集成
機器人、假肢和其他機器在配備電子皮膚或柔性壓力傳感器時能夠獲得感官功能，通過引入新的設計（如界面微結構）或者將導電填料摻雜到介電層中，此類器件的性能得到顯著改善。電子皮膚設備可以對機械刺激做出響應，并使機器人感知周圍環境。不過現有電子皮膚面臨一個長期挑戰，由于器件各層之間的界面不牢固，導致在惡劣和復雜的機械條件下穩定性較差。
此外，將電子皮膚集成到軟機器人或其他機器中會不可避免地引入額外的界面，由此也造成界面粘附性差和機械失配。因此迫切需要在電子皮膚和傳感器-機器人的不同層以及器件-機器人的界面是哪個構建強韌界面。
針對這些挑戰，在與南方科技大學合作的論文
《Highlystableflexiblepressuresensorswithaquasi-homogeneouscompositionandinterlinkedinterfaces》
中，研究者開發出一款基于聚二甲基硅氧烷-碳納米管（PDMS-CNTs）準均質復合材料的柔性壓力傳感器，這種設計有效避免了異質結構之間的力學失配。通過在不同功能層之間引入強拓撲纏結設計以產生堅韌的界面，實現傳感器與軟體機器人的無縫集成。論文被NatureCommunications收錄。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29093-y
解決機械失配、生成堅韌界面
下圖III-1a為傳統多層、多材結構的電子皮膚示意圖，各功能材料層通過簡單的堆疊組裝而成。這類結構的器件服役于含有剪切等復雜工況時，層間界面因模量、兼容性失配，導致分層，如圖III-1b所示，出現傳感信號穩定性下降甚至失效風險。歸結原因在于其多層、多材結構的機械及兼容失配。 ? ?
與傳統多層電子皮膚不同，本研究中的壓力傳感器由功能層材料均采用CNTs/PDMS同質材料組成，力學模量近似，避免了機械失配問題；同時在各功能層界面引入拓撲交聯結構，形成了具有堅韌的粘合界面，具體如圖III-1c所示。從上到下依次為平電極層（7wt%CNTs、50μm厚）、平介電層（2wt%CNTs、120μm厚）和微錐電極（7wt%CNTs、約100μm厚）。
為了生成堅韌粘合界面，研究者首先將電極和介電層在含有PDMSbase（5.5wt%）和固化劑（0.55wt%）的三氯甲烷溶液中進行溶脹（圖III-1e）。接著按順序堆疊溶脹后的功能層，在20kPa的預壓力下進行固化（圖III-1f）。隨著PDMS原位聚合反應的發生，功能層間界面處新形成的PDMS網絡，并與原有PDMS網絡的分子鏈發生拓撲纏結，實現了具有強粘合界面層的一體式結構（圖III-1g）。確切地說，在介電層和底部微結構電極之間的界面處，微錐尖端與介電層融為一體，如圖III-1h所示。
圖III-1。
得益于整個體系的均質材料體系，各功能層都表現出了相似的力學性能。下圖III-2a表明純PDMS、摻雜2wt%和7wt%CNTs的PDMS-CNTs復合材料的楊氏模量分別為1.2、1.4和3.4MPa。雖然摻雜CNTs使得復合材料的楊氏模量增加，但微小的差異幾乎不會引起力學失配。 ? ?
研究者測量了器件結構不同層間界面的韌性和剪切強度。電極和介電層之間的平面界面具有420J·m^-2的界面韌性和90kPa的剪切強度，而微結構界面雖然包含大量的孔隙，界面韌性仍達到了390J·m^-2，剪切強度為88kPa，如圖III-2b、c所示。如此高的界面韌性要得益于兩種機制：一是顯著的彈性耗散機制，二是微塔結構的離散斷裂機制。
首先，微塔結構-介電層界面的強粘附性和微塔結構的可拉伸性使其具有高的彈性能量耗散。微塔結構可以顯著拉伸到大應變（約200%）以耗散能量，如圖III-2d、e所示。其次，遭到離散破裂的微塔結構可以穩定局部的界面，避免連續的裂紋擴展。雖然塊狀PDMS柔軟且可拉伸，但一旦形成裂紋，它將快速擴展直至斷裂，如圖III-2f所示。圖III-2g為器件結構在扭曲、彎折和拉伸的機械受力模式下的原位SEM觀察，表現出穩定的結合界面，這進一步證實了微結構界面的韌性和穩定性。 ? ?
圖III-2。
下圖III-3a展示了傳感器（面積為10mm×10mm）在不同壓力下的電容響應。當壓力低于47kPa時，靈敏度為0.15kPa^?1；當壓力在47和214kPa之間時，靈敏度下降至0.08kPa^?1；壓力在214到450kPa之間又下降到0.04kPa^?1。由于響應和松弛速度會受到材料粘彈性和表面結構的影響，研究者通過施加、保持和移除1.1kPa的壓力來測試傳感器（面積為7mm×7mm）的響應和松弛時間，兩者均為6ms，如圖III-3b所示。
PDMS-CNTs電極（7wt%CNTs）也可用作應變傳感器，并在0-60%的應變范圍內，表現出了2.5的恒定應變系數，如圖III-3c所示。圖III-3d表明摻雜CNT（2wt%）顯著增加了介電層的相對介電常數，并使它高度依賴于壓力。隨著壓力從0增加到460kPa，該常數從19.8增加到114。表明電容增大一部分是由介電層電學性能變化貢獻的。 ? ?
為了進一步闡明壓力傳感機制，研究者通過微結構界面的變形仿真，并使用圖III-3e展示的簡化電路模型計算了單個單元的電容。結果顯示，電容變化是微塔結構和摻雜CNT介電層電學性能變化的協同效應，其中高壓區（壓力>200kPa）的響應主要來自局部微觀結構變形，而低壓響應主要來自摻雜CNT導致的介電常數變化。
圖III-3。
該傳感器在循環加卸載下表現出了高穩定性。研究者分別測試了傳感器（面積為10mm×20mm）在摩擦和剪切條件下的信號穩定性。圖III-3g、h表明，當傳感器在10kPa的常壓和2mm的往復位移下，用砂紙摩擦100000次循環時，信號波形或幅度沒有明顯變化。同時通過施加5kPa的重復剪切應力10000個循環來測試信號穩定性，同樣沒有觀察到信號幅度或機械故障的明顯變化，如圖III-3i所示。 ? ?
極端工況下傳感信號穩定性展示
研究者將器件貼附于一輛轎車的輪胎表面（面積10mm×40mm），如下圖III-4a所示，通過高速行駛時輪胎與地面產生的動態交變的壓力（約300kPa）、剪切力（約6kPa），如圖III-4b，c所示，模擬復雜的極端受力工況。同時對比商用壓力傳感器在汽車行駛過程中的信號穩定性。如圖III-4d所示，當汽車以22km·h^-1的平均速度行駛時，電容信號在至少2.6km（或1102轉）范圍內保持穩定。信號的高穩定性與圖III-4e中傳感器的微結構一致，這表明測試后微塔在界面處保持良好的粘合而沒有破裂。相比之下，商用的傳感器在如此復雜機械條件下的「生存」面臨巨大的挑戰，經過0.5km后傳感功能失效，這進一步證明，具有粘合界面、力學適配設計的新型傳感器件能夠在類似的極端復雜工況下長期穩定服役。 ? ?
圖III-4。
下一代軟體機器人的一大需求是與電子皮膚融合以獲得感知功能，進而實現與人類或環境交互功能。上文也提到，傳感器與機器人的集成存在界面兼容性差的問題。因此，將傳感器矩陣嵌入機器人中等類似設計將有助于實現結構融合。研究者的層間界面的拓撲纏結設計對解決這一問題表現出極高潛力。
下圖III-5a展示了一個軟夾具，研究者在其表面集成了八個傳感器。圖III-5b中展示了夾持器矩陣與傳感器的底部電極粘接界面形貌，可以看機器人-傳感器層間界面實現了很好的融合。圖III-5c-g展示了抓取網紋甜瓜（重量1250g）和毛絨娃娃（重量180g）時的壓力分布圖。
研究者還對電容信號的穩定性進行了進一步測試。如圖III-5g所示，他們用軟夾具抓起桌子上的甜瓜并將其提升10cm，在此高度保持約1秒，然后放回桌子并松開。重復該過程1000次之后沒有觀察到明顯的信號變化，而對照傳感器由于沒有拓撲纏結提供的強韌界面，它用于粘附微塔結構和介電層的薄PDMS在第137次循環時便出現了分層現象，傳感性能失效。 ? ?
最后，研究者展示了軟夾具在抓取-提起-緊握-釋放娃娃的動態過程中的電容和電阻響應。在初始狀態下，軟夾具完全打開以抓取大件物品，并對傳感器施加了拉伸應變。在接觸和抓握娃娃時，電容急劇增加，電阻也會隨夾具表面應變的減小而降低。然后將娃娃提起并保持約2秒，并在釋放時落下（圖III-5j）。這表明該傳感器件能夠實現雙模態傳感模式，從而可以應用于需要精準反饋應變和應力的服役場景。 ? ?
圖III-5。
綜上所述，研究者提出“同質”設計思路，在單一材料體系內通過電學調控，獲得力學適配、界面兼容的材料體系。輔助以高分子聚集態結構調控策略，在不同功能層的界面之間，通過小分子擴散，引入原位聚合的交聯拓撲網絡粘結層，制備的一體式粘合封裝柔性壓力傳感器，在如汽車碾壓極端工況下（~300kPa壓應力和~6kPa剪切應力耦合作用），仍能夠表現出優異的穩定傳感功能。該電容式傳感器由準均質材料組成，即聚二甲基硅氧烷-碳納米管（PDMS-CNT）材料體系，不同功能層之間引入的PDMS交聯拓撲網絡結構，使得界面韌性可達~400J·m^-2，以及~90kPa的剪切強度。導電、介電功能層間形成了堅固而牢靠的融合界面，實現了多材料、多結構界面的共融構筑?！巴|”設計可從根本上解決不同材料體系導致的界面兼容性差和力學失配問題，達到材料-材料的共融設計，該策略對后續電子皮膚在智能制造、健康監測等領域中復雜受力模式下的可靠穩定傳感功能的構筑提供了新方法。 ? ?
審核編輯：黃飛
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工商網監
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