“人形机器人的Optimus时刻”系列（五）：触觉感知（电子皮肤）：高山将越，坦途在望

触觉传感器：人形机器人的“电子皮肤”。对照人体皮肤触觉感知系统，人形机器人也可以拥有触觉。触觉传感器本质上是一种基于材料的电学或机械性质，能够感知物体表面触摸变化的传感器。根据其作用原理可分为压阻式、电容式、压电式等等，其中抗干扰能力、精度是衡量触觉传感器的核心要素。 阵列化和柔性化是触觉传感器的发展方向。由于触觉传感器接触面积越大，获得的信息量越大；所以在单位面积内，触觉阵列单元越多，测量精准度越高。 同时触觉传感器的柔性化能够更好适用于不规则的表面和复杂的环境，提升精确度。触觉传感器的核心壁垒在于1）材料端：柔性材料快速迭代推动触觉感知能力提升。2）制造端：降本困难+大规模部署挑战性强。3）算法端：触觉传感器测量涉及多物理量，图形处理系统和算法完成传感器的纠偏和标定。 日本XELA触觉传感器与特斯拉相似度高。XELARobotics是日本早稻田大学的子公司，公司主要提供可应用于人形机器人灵巧手的三维触觉传感器和电子皮肤，拥有从触觉传感器→灵巧手本体→软件与算法于一体的解决方案，产品性能领先于全球六维力传感器龙头ATI。公司目前灵巧手及触觉传感器结构类似于特斯拉Optimus，可以实现对物体的自由抓握，相似度较高，具有重要参考价值。根据VMR的预测，2028年全球触觉传感器市场将达到260.8亿美元，但同时海外厂商Tekscan、SensorProductsInc.等占据主要份额，据QY Research，2021年前三大厂商市场份额约65%。 Optimus-Gen2展示手部触觉感知能力，触觉传感器单BOT价值量较大。特斯拉发布Optimus-Gen2，最大的亮点在于其每个手指指尖配置触觉传感器，实现对物体强大的控制、感知和抓取能力。结合相关假设，根据我们的测算，在特斯拉Optimus量产达到10/50/100万台时，灵巧手部分触觉传感器的单BOT价值量分别为3/7.2/9.6万元；对应的市场规模分别为30/360/960亿元。 同时，考虑到未来机器人本体电子皮肤的需求，参考成年人皮肤总面积为1.8平方米，和海外柔性传感器厂商Tekscan的FlexiForce系列A101柔性压阻式触觉传感器单价（42.9美元/约1平方厘米），触觉传感器单BOT价值量有望进一步提升。 国内厂商处于产业化初期，想象空间充足。1）汉威科技：子公司能斯达专注于柔性微纳传感技术的研发和产业化，实现了在消费电子、健康医疗、IOT等新兴产业中的应用。2）苏试试验：公司研发项目“基于石墨烯的柔性应力振动传感器”于2017年顺利完成，项目研制的传感器可作为电子皮肤在机器人、可穿戴健康设备等领域应用。3）奥迪威：公司公开披露多种传感器产品（包括触觉）可应用于人形机器人。4）力感科技：公司是中国科学院孵化的创新型企业，提供传感器&模组、算法和数据可视化解决方案。5）帕西尼感知科技：创始团队来自早稻田大学，致力于突破机器触觉底层技术，公司拥有行业一流的机器人产品及方案，包含多维度触觉传感器PX-6AX。 行业投资评级与投资建议。触觉传感器应用空间广阔，核心技术壁垒高筑，人形机器人等新兴产业驱动触觉传感器市场高速增长。国内厂商有望通过多年产业、技术积累和高性价比，加速导入核心客户，实现国产替代。给予触觉传感器行业“推荐”评级。重点推荐柯力传感、苏试试验，重点关注汉威科技。 风险提示：人形机器人进展不及预期；国内厂商产品开发进度、核心客户导入不及预期；原材料价格上涨增加成本风险；市场竞争加剧等。 重点公司盈利预测、估值及投资评级 投资主题 报告亮点 报告根据特斯拉发布的最新视频，对人形机器人新增量——触觉传感器的原理、产业趋势、壁垒进行阐释；并结合日本早稻田大学的子公司XELA Robotics的相关产品进行参照，测算在人形机器人不同量产级别下，单BOT的触觉传感器价值量和对应市场规模；最后对核心标的进行挖掘与分析。 投资逻辑 触觉传感器应用空间广阔，核心技术壁垒高筑，人形机器人等新兴产业驱动触觉传感器市场高速增长。国内厂商有望通过多年产业、技术积累和高性价比，加速导入核心客户，实现国产替代。主要厂商包括1）汉威科技：子公司能斯达专注于柔性微纳传感技术的研发和产业化，实现了在消费电子、健康医疗、IOT等新兴产业中的应用。2）苏试试验：公司研发项目“基于石墨烯的柔性应力振动传感器”于2017年顺利完成，项目研制的传感器可作为电子皮肤在机器人、可穿戴健康设备等领域应用。3）奥迪威：公司公开披露多种传感器产品（包括触觉）可应用于人形机器人。4）力感科技：公司是中国科学院孵化的创新型企业，提供传感器&模组、算法和数据可视化解决方案。5）帕西尼感知科技：创始团队来自早稻田大学，致力于突破机器触觉底层技术，公司拥有行业一流的机器人产品及方案，包含多维度触觉传感器PX-6AX。 给予触觉传感器行业“推荐”评级。重点推荐柯力传感、苏试试验，重点关注汉威科技。 一、触觉传感器：人形机器人的“电子皮肤” （一）人类的触觉感知与机器人的触觉感知 当人体触发皮肤感受体，触觉信号变成电信号（神经脉冲）传入大脑中枢神经系统。皮肤作为人类最大的器官，大约有1.8平方米面积，重量占人体体重的15%。触觉是基于专门的皮肤感受体产生的感官信息。人体皮肤内有四种专门感受外界刺激的感官受体，迈斯纳小体、梅克尔触盘、帕奇尼小体和鲁菲尼小体。这些感官受体的工作原理是外界环境的机械刺激使得皮肤产生形变，而皮肤的形变导致神经末梢的变化又导致神经膜的兴奋性变化，于是便产生了“发生器电位”。当形变达到一定的阀值后便产生“动作电位”所以外界环境机械刺激被编码成神经元的动作电位频率。 图表1人体皮肤触觉感知系统 对应人类触觉传感系统，机器人触觉感知系统可被分为三个模块。 第一层：传感层。机器人系统中的传感层，对标人类触感系统的感受器。由于触觉感知的复杂性和感知场景的不同，传感数据的采集往往是多种传感数据的集合，在收集到传感数据以后，需要借助信号转换器将收集到的信息进行纠偏、补偿、调节，以保证数据真实、准确、稳定。 第二层：传输层。传输层主要是将物理信号转化为数字信号，并传输到数据分析程序，这个过程与神经中枢传递动作电位信号的逻辑相似。 第三层：控制层。通过数据分析工具和算法，数字信号经过分析&计算，系统会构建用于感知交互对象的数据模型和特性模型，并控制机器人发出操作命令，完成相应的抓夹、避障、工具操作等动作。 图表2机器人触觉与人类触觉对比 触觉传感器本质上是一种基于材料的电学或机械性质，能够感知物体表面触摸和压力变化的传感器。触觉传感器采集系统能够直接获得，由于力的加载而使触觉传感器产生弹性形变，进而使得触觉传感器的阻值变化而产生的电压信号，并能对获取的信息进行实时显示。触觉传感器通过检测物体与传感器之间的电学或机械变化，实现对触摸、压力或形状的感知，广泛应用于触摸屏、机器人、医疗设备等领域，为人机交互和自动化系统提供了重要的信息输入手段。 图表3机器人触觉传感器工作原理（1） 图表4机器人触觉传感器工作原理（2） （二）触觉传感器技术方案选择多元，主流分为五大类 触觉传感器根据其作用原理主要分为五大类。 1）压阻式触觉传感器。根据半导体材料的压阻效应而制成的器件，可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 2）电容式触觉阵列传感器。其原理是外力使极板间的相对位移发生变化，从而使电容发生变化，通过检测电容变化量来测量触觉。 3）压电式触觉传感器。在压力作用下压电材料两端面间出现电位差;反之，施加电压则产生机械应力。 4）电感式触觉传感器。利用电磁感应原理把压力作用转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出。 5）光电式触觉传感器。基于全内反射原理进行研制的，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也会相应发生变化。 图表5触觉传感器主要原理 抗干扰能力、精度是触觉传感器的核心要素。触觉传感器需要具备强大的抗干扰能力，以确保其在噪声、电磁干扰或其他外部影响下仍能准确感知和传输数据。精度则是指触觉传感器测量结果与实际情况之间的接近程度，高精度的触觉传感器能够提供准确、可靠的触觉信息。压电和电容式灵敏度高，但抗干扰能力较弱，噪音会比较大，误触的风险会非常高；压阻式过载承受能力会更强。 图表6五种原理的触觉传感器对比 （三）触觉传感器的发展方向：阵列化、柔性化 触觉传感器接触面积越大，获得的信息量越大。人形机器人需要的是高精度、高分辨率、高速响应且能任意分布的触觉传感器，能具有大面积的敏感性来准确地感知丰富的触觉信息和它的分布，同时还需要提供足够的测量范围和空间分辨率，这就需要利用多个触觉敏感单元组成触觉传感器阵列。具备数据处理功能的阵列触觉传感器可部分或全部覆盖于机器人体表面，目的就是使机器人能够准确地感知并获得触觉信息。 图表7触觉传感器表面接触面积越大，获得的信息量越大 单位面积内，触觉阵列单元越多，测量精准度越高。单个触觉传感单元检测到的信息非常有限，无法满足高精度测量的需求，因此需要将触觉传感单元阵列化，以获得足够多的信息。当触觉传感器阵列工作时，每个单元受到外部作用力，对应的上、下电极层通过中间的压阻材料导通，此时压阻材料的电阻随外部压力的变化而改变，后续信号处理电路根据电阻大小计算出对应传感单元受力大小，根据传感单元受力的位置信息，可进一步得到接触物体的信息。在触觉传感阵列中单位面积内传感单元数量越多，即触觉传感阵列分辨率越高，获得的物体信息越准确。 图表8在指尖布局更多的触觉传感器阵列单元 触觉传感器柔性化能够更好适用于不规则的表面和复杂的环境，提升精确度。由于触觉传感器柔软性质，可以更好地贴合和适应曲面、曲线或不规则形状的物体，从而提高了传感器的适应性和可用性；同时可以更直接地与目标表面接触，而不会因为僵硬结构而导致信息的丢失或失真。柔性材料通常比硬性材料轻巧，因此柔性触觉传感器可以带来更轻量、更灵活的设计，且柔性材料通常更具有耐用性，能够更好地承受多次弯曲和变形，而不会受到损坏。 图表9触觉传感器柔性化 （四）触觉传感器的壁垒：材料端、制造端和算法端 材料端：柔性材料快速迭代推动触觉感知能力提升。柔性材料具有理想的接触表面特性和可伸缩性，因此利用这些特性制作的触觉传感器具备柔软性好、耐久度高、更易贴合物体等优势。柔性触觉传感器对材料的要求较为严格，耐用度和分辨率成为评判这类触觉传感器是否能够商用的重要指标。为了满足机器人对弯曲、挤压、扭转等形变的精确触觉感知，PDMS、PET、PI、PVDF等聚合物材料被用来制造传感器的柔性基底，显著提高了传感器的柔性，合理的材料配比也可以增加柔性；同时通过优化结构设计，如网状、波纹状、岛桥等结构也可提高触觉传感器的柔性。 图表10柔性触觉传感器材料层结构 制造端：降本困难+大规模部署挑战性强。目前，国内外高校实验室在单个阵列式触觉传感单元的灵敏度、分辨率和柔弹性等研究方面已经取得了显著的突破，然而在成本、拼接和串扰等方面的挑战需要进一步突破。高端触觉传感器价格昂贵，导致大面积部署的成本相对较高。此外，触觉传感器在扩展后需要大量走线，这不仅增加了部署的复杂性，还可能影响测量环境和电路，对测量结果的一致性构成挑战。基底材料、触感材料的拼接以及电子电路的连接也为测量过程引入了更多未知的干扰，可能导致测量数据失真。 图表11清华大学多维触觉传感器 图表12中科大柔性触觉传感器 算法端：触觉传感器测量涉及多物理量，图形处理系统和算法完成传感器的纠偏和标定。 阵列式触觉传感器相比传统传感器，在一次测量中可能涉及六维力、温度、硬度等多种物理量，而集成式触觉传感器中，单体触觉感知单元的信号之间可能产生相互干扰。因此，触觉传感器的标定机制相较于其他传感器更为复杂。传统触觉标定采用数学模型