机器人硬件拆解三：柔性传感器在智能机器人和脑机接口应用前瞻

机械设备 证券研究报告|行业深度 2023年06月18日 机器人硬件拆解三：柔性传感器在智能机器人和脑机接口应用前瞻 柔性传感器开启智能传感新时代，潜在市场空间有望超500亿。柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠。柔性传感器采用了柔性基板，其本质上是一种薄膜，通常采 用聚酰亚胺（PI）、聚酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制成。从刚性到柔性的突破，极大拓展了传感器的应用场景，不仅是游戏领域中的智能穿戴设备，还有医疗大健康领域的电子皮肤、疾病诊断设备、健康监测设备、智能颈枕、智能按摩设备，消费领域的智能手环、元宇宙手套，智能家居领域的智能床垫，甚至是马斯克提出的脑机接口。根据汉威科技微信公众号的数据，2021年至2028年全球柔性传感器市场的年复合增长率达6.8%，预计2028年可达84.7亿美元。 电子皮肤开启人机交互新模式，机器人和脑机接口是两大超级应用。脑机接口是柔性传感器的一大应用领域。柔性脑机接口的代表企业为Neuralink，2022年11月，Neuralink已经向FDA提交了大部分文件，审核通过后约六 个月内，将在人类身上植入第一个Neuralink植入物。至此，柔性脑机接口终于与大部队汇合，三种技术路线的侵入式脑机接口均已介入人体临床。脑机接口行业有望迎来产业化落地，也表明柔性传感器在细分应用场景下的进 一步成熟。机器人领域，电子皮肤的基本特征，是将各种电子元器件集成在 柔性基板之上从而形成皮肤状的电路板，像皮肤一样具有很高的柔韧性和弹 性，其能赋予机器人类似人类皮肤的敏感性，以及触觉、视觉、听觉、味觉和嗅觉等感知能力。电子皮肤可以广泛应用于手术机器人领域，医生佩戴电子皮肤可使手术机器人获取实时信息让手术更精准，而特斯拉推出人形机器人后，电子皮肤在机器人领域的产业化进度有望进一步被加快。 柔性传感器国内外企业齐发力，学术研究为高阶性能蓄力。目前，电子皮肤的研究已经取得一些进展，奥地利格拉茨技术大学最新研究的智能皮肤每平 方毫米有2000个单独的传感器，但当前电子皮肤仍存在兼顾高柔性和高弹性难题、扩展性难题和制造成本高等痛点。从国内外知名研究团队和公司看，Interlink是全球领先的人机界面解决方案提供商，其持续在力觉传感器上持续深耕，公司产品已被用于无数行业，包括汽车、机器人、医疗和消费电子产品等；国内企业中，汉威科技子公司能斯达在柔性压电传感器领域掌握自主知识产权，实现国产化完全替代，相关产品已在三甲医院进行临床实验，柔性微纳传感器目前已在智能机器人领域有明确的应用；科研团队当中，国内外主要的科研团队如美国加州大学、新加坡国立大学、美国斯坦福大学和中国科学院等对于柔性传感器、电子皮肤的研究进展皆处于迈向更高阶性能的阶段。未来，随着技术的持续进步，电子皮肤产业化进程有望加快落地。 柔性传感器打开想象空间，建议关注具备机器人应用潜力的国产标的：汉威科技，子公司能斯达开发的柔性微纳传感器已在智能机器人领域得到应用，该技术与电子皮肤兼容。 风险提示：智能机器人行业发展速度不及预期风险；人形机器人供应链不确定性风险；持续研发投入导致亏损风险。 增持（维持） 行业走势 机械设备沪深300 32% 16% 0% -16% -32% 2022-062022-102023-022023-06 作者 分析师张一鸣 执业证书编号：S0680522070009邮箱：zhangyiming@gszq.com 研究助理欧阳蕤 执业证书编号：S0680121120007邮箱：ouyangrui3@gszq.com 研究助理何鲁丽 执业证书编号：S0680121070001邮箱：heluli3652@gszq.com 相关研究 1、《机械设备：机器人硬件拆解二：视觉与力控》 2023-05-30 2、《机械设备：竞争格局优化，静待行业复苏——机床行业2022&2023Q1综述》2023-05-17 3、《机械设备：工控行业2023Q1点评：收入及利润同比微增，环比下降，行业需求拐点或已临近》2023-05-13 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 一、柔性传感开启智能传感新时代，市场空间有望超500亿3 1.1大赛道，大市场，柔性传感器连接未来3 1.2稳定性是核心指标，柔性传感器市场空间有望超500亿5 二、电子皮肤开启人机交互新模式，机器人和脑机接口是两大超级应用8 2.1柔性传感器下游应用广泛，医疗+机器人+智能穿戴是高成长赛道8 2.2柔性脑机开启新纪元，人形机器人对电子皮肤提出更高要求10 三、柔性传感器国内外产业化加速，学术研究为高阶性能蓄力12 3.1Interlink持续深耕FSR系列，终成全球领先HMI解决方案提供商12 3.2汉威科技：子公司能斯达实现国产化替代，柔性传感器技术国内领先13 3.3电子皮肤存在多种可行性途径，国内外顶尖科研团队先行探路14 风险提示19 图表目录 图表1：智能传感器分类3 图表2：柔性传感器展示4 图表3：柔性传感器分类5 图表4：基于MXene/BP的压力传感器的结构及工作原理示意图6 图表5：受蜘蛛关节启发的裂纹传感器6 图表6：柔性传感器技术性能关键问题6 图表7：全球智能传感器市场规模及预测7 图表8：全球柔性电子市场规模及预测7 图表9：带有铂电路的一次性温度记录标签，其中包含NHS3100集成芯片、Enfucell印刷电池8 图表10：电子皮肤展示图9 图表11：能斯达TouchFocus产品展示9 图表12：脑机接口原理10 图表13：脑机接口的信号采集技术可分为三大类10 图表14：Neuralink植入物包含生物相容性外壳、电池、芯片及电子、导线11 图表15：基于纳米材料和新型“三明治”结构的柔弹性电子皮肤触觉传感器及其柔弹性展示11 图表16：独立传感单元通过串行总线连接形成柔性压力阵列触觉传感器11 图表17：Interlink几大产品线12 图表18：ForceSensingResistor®(FSR)传感器系列12 图表19：能斯达产品布局13 图表20：ZNS-01手套型柔性薄膜压力传感器14 图表21：ZNS-01性能指标14 图表22：TRACE传感器原理图及其在健康监测和机器人触觉感知中的应用14 图表23：使用可穿戴应变传感器的人机交互15 图表24：WSLT（WearableSignLanguageTranslation）系统的组成部分16 图表25：柔性传感器（FAST）在肿瘤体积上的测量17 图表26：“智能皮肤”技术原理展示18 图表27：生物皮肤（左）与电子皮肤（右）19 一、柔性传感开启智能传感新时代，市场空间有望超500亿 1.1大赛道，大市场，柔性传感器连接未来 万物互联的底座，智能传感器种类多样。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。智能传感器集传感单元、通 信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体，具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储等功能，当前，智能传感器在工业4.0时代扮演着十分重要的角色，其是是物联网技术的最底层和最前沿，对物联网产业发展有着十分重要的意义。按照外界输入的信号变换为电信号采用的效应，可将传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物型传感器三大类，按照“工作原理+应用领域”的分类依据具体展开，可分为压力传感器、惯性传感器、磁传感器、光学传感器等。 图表1：智能传感器分类 资料来源：前瞻产业研究院，国盛证券研究所 柔性传感器：智能感知时代新引擎。柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠，由于材料和结构灵活，柔性传感器可 以根据应用场景任意布置，能够方便地对被测量单位进行检测。所谓柔性，是与刚性相对而言的，柔性传感器采用了柔性基板，其本质上是一种薄膜，通常采用聚酰亚胺（PI）、聚酯(PET)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制成。从刚性到柔性的突破，极大拓展了传感器的应用场景，不仅是游戏领域中的智能穿戴设备，还有医疗大健康领域的电子皮肤、疾病诊断设备、健康监测设备、智能颈枕、智能按摩设备，消费领域的智能手环、元宇宙手套，智能家居领域的智能床垫，甚至是马斯克提出的脑机接口。 图表2：柔性传感器展示 资料来源：柔宇科技官网，国盛证券研究所 柔性传感器种类丰富，新型材料应用带来多种可能。按照感知机理分类，柔性传感器包括柔性电阻式传感器、柔性电容式传感器、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等。 按照用途分类，柔性传感器包括柔性压力传感器、柔性气体传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器、柔性应变传感器、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等。其中，柔性压力传感器还包括电容式、压阻式、压电式等，其所用的基础材料包括纳米线、碳纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米颗粒、石墨烯等。 图表3：柔性传感器分类 资料来源：传感器专家网，百度，国盛证券研究所 1.2稳定性是核心指标，柔性传感器市场空间有望超500亿 压阻式传感器是主要研究方向，稳定性、选择性和灵敏性等是核心衡量指标。柔性传感器中，压阻式传感器因其结构简单、易于制备、测量范围广、灵敏度高等特点受到学术界的青睐，其主要是由弹性体聚合物和导电材料构成的复合材料制备而成的。从工作原 理来看，在外界应力的刺激下，对传感器中导电材料的电阻与电流变化进行检测是压阻型传感器的基本原理。当传感器的结构发生变化时，导电材料的长度和横截面积随之变化，进而引起传感器的电阻变化，但是由于形变程度有限，这类传感器并不能实现较高 的灵敏度和较大的应变检测范围。2018年，斯坦福大学Choi团队受蜘蛛关节启发提出基于裂纹原理工作的传感器，以实现对微应变的监测，这使得导电通路大幅减少，电阻随之增大，依靠少许连通的导电网络，传感器仍可以继续稳定工作，利用这种机制，传 感器可以在微应变下进行超高灵敏度的监测。从性能指标的衡量上看，除稳定性、选择 性和灵敏度这些用于评估传感器性能的主要指标外，衡量柔性传感器独有的方面，还包 括对机械变形的耐受性和整体集成到大型区域传感阵列，但整体看，稳定性是传感器实用性的核心，也是加速柔性传感器商业化的关键。 图表4：基于MXene/BP的压力传感器的结构及工作原理示意图图表5：受蜘蛛关节启发的裂纹传感器 资料来源：钰芯瀚吉科技，知乎，国盛证券研究所资料来源：钰芯瀚吉科技，知乎，国盛证券研究所 注：（a）蜘蛛腿部关节敏感部位的结构；（b）工作原理示意图；（c）裂纹传感器照片及扫描电子显微镜（SEM）图片 图表6：柔性传感器技术性能关键问题 资料来源：传感器专家网，知乎，国盛证券研究所 柔性传感器市场空间有望超500亿元。根据AlliedMarketResearch的预测，2020-2026年，全球智能传感器市场规模年均增速有望超过14%，预计到2026年，全球智能传感器市场规模接近800亿美元。而据汉威科技微信公众号的数据，根据相关机构统计，2021 年至2028年全球柔性传感器市场的年复合增长率达6.8%，预计2028年可达84.7亿美元；另据弗若斯特沙利文预测，2019年至2025年，全球柔性电子市场的年复合增长率达到惊人的144.71%，到2025年市场规模可达3049.4亿美元。 图表7：全球智能传感器市场规模及预测图表8：全球柔性电子市场规模及预测 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 全球智能传感器市场规模（亿美元） 799 699 611 535 468 409 20212022E2023E2024E2025E2026E 350 300 250 200 150 100 50 0 全球柔性电子市场规模及预测（十亿美元）yoy 304.94 175.93 105.3 58.62 29.33 1.