电子皮肤行业深度研究报告：赋予机器人柔性触觉，提升精细化感知能力

电子皮肤是人形机器人与外界环境感知的桥梁。人类皮肤具有延展性、自愈能力、高机械韧性、触觉感知能力等特性，电子皮肤是模仿人类皮肤的特性以及附加功能的设备，本质上是一种仿生柔性触觉传感器系统。电子皮肤通过传感单元检测外部环境，并且结合了触觉感知功能和柔性机械特性，目前主要应用于健康监测、人机交互和机器感知领域，在机器人与外界感知的过程中起到至关重要的作用。 柔性触觉传感器是电子皮肤的核心传感元件，市场规模不断扩大。传感技术是机器人感知环境的基础，传统的触觉传感器存在笨重和硬脆的缺点，柔性触觉传感器则具备类似于人类皮肤的柔韧性，可以适应任意载体形状，更利于测量物体表面受力信息、感知目标物体性质特征。根据智研咨询数据，2022年全球柔性传感器市场规模约19.31亿美元，预计2022-2029年CAGR为15.6%，医疗及机器人领域需求为其增长的主要驱动力。2022年中国柔性传感器需求量为4923.1万个，年产量为1634万个，国产化率也在逐步提高，2022年中国柔性传感器国产化率为32.50%。 特斯拉Optimus指尖触觉持续升级，机器人赋予电子皮肤增量市场。 2023年12月，特斯拉发布Optimus Gen2 demo视频，机器人已具备夹持鸡蛋的能力，灵巧手自由度增加到了11个，并且配备触觉传感器；2024年1月，特斯拉更新Optimus进展，机器人已具备连续折叠T恤的能力，指尖的精细化水平再度提升。根据GGII预测，到2030年全球人形机器人市场规模有望超过200亿美元，中国人形机器人市场规模将达到50亿美元。人形机器人赋予电子皮肤新的增量市场，多维度的触觉传感系统或将成为人形机器人的“第二感官”。 投资建议：电子皮肤是新型的仿生柔性触觉传感系统，在人形机器人与外界感知的过程中起到至关重要的作用。国内部分厂商拥有柔性触觉传感器生产布局，均处于早期阶段，多功能柔性触觉传感技术仍是国内“卡脖子”技术。 人形机器人的需求驱动有望带来电子皮肤的大规模应用，加速国产品牌技术进阶。建议关注国内技术水平较高的触觉传感器制造商，包括汉威科技、苏试试验、奥迪威、弘信电子等。 风险提示：人形机器人进展不及预期，柔性触觉传感工艺研发不达预期，算法进展不达预期，柔性材料价格上涨增加成本风险，市场竞争加剧将影响产业 表1：重点公司投资评级: 1电子皮肤为机器触觉感知系统，技术壁垒较高 1.1电子皮肤：机器人与外界环境感知的桥梁 皮肤是人体与外界环境交流的桥梁。皮肤是人体最大的器官，其重量约占人体体重的16%，成人皮肤平均总面积约为 1.5m2 。人体通过皮肤感知外界压力和温度，感受物体的表面形状质地，具有保护、排泄、调节体温和感受外界刺激等功能。 人类皮肤由表皮层、真皮层和皮下组织构成，并由复杂的血管神经网络连接。 图1.生物皮肤vs电子皮肤 对应人类触觉传感系统，机器人的触觉感知系统可以分为三个模块： 第一层：传感层。机器人系统中的传感层，对标了人类触感系统的感受器。传感层是整个系统最基本的、最底层的结构。在这个部分，主要由传感器和传感器信息的偏置、调理、数据采集系统构成。 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。传感器直观数据为温度、电压等模拟数据，为了对数据进行更好的传输，需要对模拟数据进行解码、融合，使模拟信号变为数字信号，以传输到数据分析的“大脑”。 第三层：控制层。控制层是机器人的“大脑”，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（例如物体的形状、温度等），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2.机器人触觉传感系统的层次功能和结构图 电子皮肤是新型的仿生柔性触觉传感系统，提升机器人的外界感知能力。人类皮肤具有延展性、自愈能力、高机械韧性、触觉感知能力等特性，电子皮肤是模仿人类皮肤的特性以及附加功能的设备，本质上是一种仿生柔性触觉传感器系统。 电子皮肤模仿了人类皮肤的特征，可以附着在机器表面，通过传感单元检测外部环境，并且结合了触觉感知功能和柔性机械特性，在机器人与外界感知的过程中起到至关重要的作用。 表1.电子皮肤对应于人类皮肤的要求 电子皮肤需要大量传感元件的宏观集成，最终传输信号给机器人“大脑”。电子皮肤一般是由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成。当外界施加压力时，活性功能层将应变、湿度、温度等信号转换为可检测的电信号，位于功能层两侧的电极层接受并对电信号进行传输，最终信号传输到机器人“大脑”，完成一次“触觉”传递过程。 图3.机器人由自动化向智能化进化 图4.在手腕、脚踝关节等处更适用六维力矩传感器 电子皮肤要成为机器人身体的有效组成部分，需要具备一系列功能和形态学特征。 表2.机器人对电子皮肤应用提出的要求 图5.电子皮肤的组件概述及技术要求 电子皮肤应用广泛，集传感能力等多种特性于一体，主要应用于健康监测、人机交互和机器感知领域。由于材料、基底、结构和传感器件等选择不同，设计出的电子皮肤的类型和特性会有所不同，进而满足下游各种传感需求。 (1)健康监测：电子皮肤相较于现有的穿戴健康监测设备，不止可以监测心血管信号、呼吸信号、血压及体温等基础物理信号，还可以监测乳酸、汗水流失率、葡萄糖等化学信号，使人类对生理状态的认知得到质的提升； (2)人机交互：人机交互通常使用视觉识别技术，但仅靠视觉感知很难处理涉及近距离接触和某些表达信息（如声音）的操作。而电子皮肤则能够实现紧密连接，实现精确、长期、多位置的传感和驱动； (3)机器感知：机器人和假肢是电子皮肤最重要的工程应用领域之一，可以帮助人类准确和快速地进行各种操作。 图6.电子皮肤的下游应用领域 1.2柔性触觉传感器：电子皮肤的核心感知元件 柔性触觉传感器是电子皮肤中最重要的传感元件之一。传感技术是机器人感知环境的基础，触觉传感器可以通过物理接触获得物体表面的相关特性，并将外界的信号转化为物理信号。传统的触觉传感器以各种刚性材料为敏感元件，存在笨重和硬脆的缺点；柔性触觉传感器则具备类似于人类皮肤的柔韧性，可以适应任意载体形状，更利于测量物体表面受力信息、感知目标物体性质特征。 图7.触觉传感器在机器人物体属性识别中的应用 按照转换信号原理的不同，柔性传感技术主要分为电容型、电阻型、压电型等。 (1)电容型：原理是将单个触元的上、下电极嵌入电极层，通过间隔层隔开，形成平行板电容器。当通过触点与外界接触，两电极间隔发生改变并且生成电容信号，经过解算可得知整个触觉传感器上表面的受力情况。 图8.电容式柔性触觉传感器原理图 (2)电阻型：原理是将压力变化转换成电阻或者电流的变化，目前柔性传感技术较为成熟的一种，应用领域也更加广泛。根据检测原理，可以细分为压阻式柔性传感和电阻应变式柔性传感两种机制。①压阻式：利用单晶硅材料压阻效应制成，主要用于检测压力、拉力以及可以转变为力的变化的其他物理量；②应变式：以电阻应变计为转换元件的传感器，将工程构件上的应变(即尺寸变化)转换成为电阻变化的变换器，由弹性元件和敏感单元组成，敏感单元是核心。 表3.电阻型柔性触觉传感器的两种细分方式比较(压阻式vs应变式) (3)压电型：原理为压电材料在受压力时产生正负相反的电荷，且电荷数量与材料所受到的力呈正相关，也就是该种触觉传感器可以自发电，这使其具有广泛的应用前景。描述压电材料压电性能最重要的参数是压电常数，体现压电材料将机械能转化为电能或者将电能转化为机械能的能力，越大越好。 表4.柔性触觉传感器各类技术比较 1.3技术壁垒：核心难点主要包括材料/制造/算法 材料端：柔性基底和导电材料的耐用度、分辨率等影响传感器性能。基于复合材料的柔性压力传感器的功能材料一般由柔性基体和导电填料这两部分构成，柔性基底、导电材料的选择都对传感器的性能有重要影响。近些年来，如聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯等柔性高分子聚合物材料被用于制作柔性基底，如碳纳米管、石墨烯等碳基导电填料兼具高导电性与低成本优点，如聚苯乙烯磺酸盐等具有导电性的高分子材料也逐渐被用来做导电填料，但由于这些材料对耐用度和分辨率的指标要求较高，同时测量的一致性较难保证。材料在经过多次使用以后,测量结果产生的漂移和误差会越来越大。在实际应用中，耐用度和分辨率也是该类型触觉传感器是否能够商用的重要指标。 图9.电容式柔性触觉传感器原理图 制造端：阵列式布局的制造成本、拼接、串扰问题等仍有待突破。虽然在对单个传感单元的研究中，无论是传感单元的灵敏度、分辨率、柔弹性等性能都已经取得突破，但是阵列式触觉传感器在成本、拼接、串扰等难题上的进步空间还很大。 主要存在以下几方面难点：第一，高端触觉传感器价格昂贵，且大面积部署成本很高；第二，触觉传感器在扩展以后会带来大量的走线，测量环境和电路也会发生变化，这对测量结果的一致性带来挑战；第三，基底材料、触感材料的拼接、电子电路的连通都会让测量过程有更多未知干扰，进而造成测量数据失真，即使是同质传感器的融合，调节起来也并非“1+1=2”那么简单。 图10.阵列式触觉传感器模型 算法端：传输信号涉及多种物理量，标定机制更复杂。传统传感器的信号转化路径一般遵循以下流程：传感器将信号从其他物理波形转换成电流或电压波形，然后通过数字电路对这些波形进行处理，并以电磁波的形式传输，再由另一个传感器接收和转换成需要的信号形式。而阵列式触觉传感器，一次测量往往会涉及三维力，甚至温度、硬度等多种物理量；如果是集成式触觉传感器，单体触觉感知单元信号相互之间也会产生干扰。所以，触觉传感器的标定机制远复杂于其他类型传感器。 图11.触觉传感器图形处理系统示例 2柔性传感器处于产业化早期阶段，成长空间广阔 2.1市场规模呈快速增长趋势，国内厂商多处于布局早期 中国智能传感器市场规模超千亿元，增速高于全球平均水平。(1)全球市场：据中国物联网研究院发布的《中国智能传感器产业发展报告》，全球总量上看，2022年全球智能传感器市场规模为418.6亿美元，预计2025年全球智能传感器市场规模将达到572.5亿美元，预计未来三年CAGR达到11%。(2)国内市场：我国智能传感器市场规模快速增长，据中国物联网研究院发布的《中国智能传感器产业发展报告》，2019-2022年我国的智能传感器市场规模从783.9亿元上升至1154.4亿元，2025年我国的智能传感器市场规模有望达到1795.5亿人民币，预计未来三年CAGR约为15.86%，高于全球平均水平。 图12.全球智能传感器市场规模 图13.中国智能传感器市场规模 欧美拥有成熟的传感器产业链，亚太地区呈快速增长态势。以区域角度划分，欧洲、美国、日本等地拥有良好的技术基础，产业链上下配套成熟，几乎垄断了“高、精、尖”智能传感市场。根据中国物联网研究院发布的《中国智能传感器产业发展报告》援引赛迪顾问数据，美国、欧洲、日本三区域合计占据了市场92.8%的产值，亚太地区也占据一定市场份额，并且近年来呈现出快速增长态势。 图14.全球智能传感器产值分布 柔性传感器在消费电子、医疗保健、汽车、工业自动化等领域的广泛应用将推动市场规模的增长。根据智研咨询，全球柔性传感器行业市场规模呈现逐年上涨态势，2022年全球柔性传感器市场规模为19.31亿美元，需求量为2.43万个，均价为7.95美元/个。QYResearch预测2029年全球柔性触觉传感器市场规模将达到53.2亿美元，测算2022-2029年复合增长率约为15.6%，医疗及机器人领域需求为其增长的主要驱动力。 图15.全球柔性传感器市场规模 图16.全球柔性传感器需求量、均价情况 海外龙头市占率领先，市场集中度较高。根据QY Research数据，全球范围内，北美是触觉传感器最大的市场，份额约为80%，其次是欧洲和世界其他地区，份额均超过15%。海外厂商凭借其先进的