一周解一惑系列：如何实现机器人触觉：电子皮肤与MEMS传感器

本周关注：恒立液压、徐工机械、中国船舶、东方精工、纽威数控 电子皮肤是一种模仿自然皮肤功能的创新技术。它的核心在于使用先进的电子和材料科学技术来制造出能够感知环境变化的灵敏表面。电子皮肤由基底层、传感器层、电路和处理器、能源供应、接口及通信系统以及保护层组成。 基底层的灵活性使得电子皮肤可以适应各种形状和表面，传感器层的高度灵敏度则为其提供了类似于人类皮肤的感觉能力。电子皮肤主要依赖于其独特的材料和电子组件，以实现对不同类型的环境刺激（如压力、温度和湿度）的高度敏感和精确反应。电子皮肤的传感器层感应到压力或温度或湿度的变化，将其转换为数字信号并被传输到微处理器和电路系统，通过算法进行处理和分析。 电子皮肤的技术难点主要体现在材料的选择以及提升耐久性：1）材料选择：电子皮肤的材料不仅需要达到轻薄和柔软的特性，还需要可拉伸并且对环境因素做出准确快速的响应。2）提升耐久性：由为了在一定时间内准确检测所需型号，需要确保电子系统能在一段时间内稳定运行。因此，延长电子皮肤材料的使用寿命便至关重要。 柔性传感器是触觉传感器的一个子集，在电子皮肤的应用中扮演着至关重要的角色：1）柔性传感器由基底层、介电层、传感器的接触点以及传感区组成。柔性传感器的基底材料主要有聚合物基材以及纺织材料。2）柔性传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器、压电传感器以及摩擦电型传感器。电阻式传感器适合于基础的压力映射和触觉反馈系统，但在灵敏度和稳定性方面相对较弱，且容易受到环境因素如温度和湿度的影响；电容式传感器以其高灵敏度、快速响应和高精度表现突出，非常适合于高精度的触觉感测，但成本相对较高，且可能受到电磁干扰。3）柔性传感器制造技术主要为印刷法：每种工艺都涉及某种印刷方法，包括使用导电油墨和基底形成不同的设计。除此之外还有丝网印刷、喷墨打印、激光剥离以及3D打印等制作技术。 电子皮肤市场规模与行业情况：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。中国虽然相关落地产品多，但整体而言柔性传感器还处于发展初期，在材料、技术及产业链等方面都分别面临着不小挑战。中国柔性传感器行业市场规模增长速度较快，2022年中国柔性传感器行业市场规模为21.12亿元，国产化率也在不断提高。国内典型企业：能斯达、钛深科技、墨现科技、帕西尼。国外典型企业：GelSight、Canatu、Novasentis。 柔性传感器以其可弯曲和伸缩的特性而著称：通常由柔性材料制成，能够适应弯曲和扭曲的表面。在测量压力、弯曲、伸展等物理变化方面表现出色，但大规模生产时可能面临复杂的制造工艺和耐久性问题，同时性能稳定性也是一个挑战。MEMS传感器以其小尺寸、高精度和低能耗而闻名：MEMS技术能够集成各种传感功能（如压力、温度、加速度等）到一个极小的芯片上，但其生产成本较高以及技术较复杂。在实际应用中，将这两种传感器结合使用，可以充分利用它们的优势，同时弥补各自的不足。 投资建议：关注相关MEMS压阻传感器技术的华培动力、安培龙 风险提示：机器人新产品研发及拓展不及预期的风险；机器人触觉传感器技术路线不确定的风险 1电子皮肤技术概述 1.1电子皮肤技术概述及关键特性 电子皮肤（E-skin）是一种模仿自然皮肤功能的创新技术。它的核心在于使用先进的电子和材料科学技术来制造出能够感知环境变化的灵敏表面。电子皮肤结合了柔性电子、纳米技术和智能材料，旨在模拟自然皮肤的触觉、温度和压力感应等功能。这种技术在医疗监测、先进的假肢设计、机器人技术和人机交互等领域显示出巨大的应用潜力。 图1：生物皮肤与电子皮肤区别 电子皮肤的关键特性分为： 1)灵敏性：电子皮肤通过集成的微型传感器阵列，能够精准地感知和响应微小的压力、温度和触觉变化。这些传感器利用电阻、电容或其它电学特性的变化来检测外部刺激，从而实现高灵敏度的感应。 2)伸展性和柔韧性：为了模仿自然皮肤的伸展性，电子皮肤使用了特殊的柔性材料，如硅橡胶、聚合物或纳米复合材料。这些材料能够在拉伸、弯曲或扭曲时保持其电子特性和功能。 3)自愈性：某些高级电子皮肤设计包括自愈功能，能够在受到物理损伤后自动修复其结构和功能。这通常通过使用特殊的化学成分或微胶囊技术实现。 4)可穿戴性和透气性：电子皮肤在设计上强调可穿戴性和对皮肤的透气性，以确保长时间佩戴的舒适性。通过微孔设计和轻薄材料的使用，电子皮肤可以有效地允许空气和水分通过，减少对皮肤的刺激。 5)生物兼容性：在医疗应用中，电子皮肤的材料和设计必须确保与人体皮肤的兼容性，避免引起过敏反应或其他不良反应。这要求使用经过认证的生物相容材料，并考虑到长期与皮肤接触的影响。 图2：多种极端条件下自主愈合的电子皮肤材料 1.2电子皮肤主要组成结构 电子皮肤（E-skin）是一种先进的技术，它模仿了人类皮肤的功能，能够感知环境中的不同类型的刺激。这种技术在医疗、机器人和可穿戴设备领域显示出巨大的潜力。下面是对电子皮肤主要组成结构的详细描述： 表1:电子皮肤的主要组成结构 电子皮肤的设计融合了先进的材料科学、微电子工程和传感器技术，其目的是创造一种能够灵敏感应环境变化并与之互动的智能界面。基底层的灵活性使得电子皮肤可以适应各种形状和表面，而传感器层的高度灵敏度则为其提供了类似于人类皮肤的感觉能力。电路和处理器的集成确保了数据的准确处理和传输，而能源供应系统则保证了设备的持久运行。最后，保护层的设计确保了设备在各种环境下的稳定性和耐用性。这些元素共同构成了电子皮肤的独特功能和应用潜力，使其在健康监测、机器人技术、智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。 图3：不同结构的电子皮肤结构图 “Multi-parameter e-skin based on biomimetic mechanoreceptors and stress field sensing”的研究报告中，说明了一种新型电子皮肤的设计，称为生物仿真机械感受器（Biomimetic Mechanoreceptors），简称BMR，具有生物仿真、结构简单、运行稳定以及基于应力场重建的多参数感知等特点。BMR采用三明治结构，由"表皮"传感阵列和"真皮"传感阵列夹着的类肤变形层组成，模仿人体皮肤的结构。 变形层由弹性体制成。作为应力场的载体，一旦施加外部压力，它很容易发生形变。传感阵列包含压力检测单元，模仿麦氏体的结构。它们对变形层顶部和底部的应力场分布进行采样。通过重建和分析应力场，BMR可以精确测量三维力并区分不同硬度的物体，从而无需集成多个传感器来直接测量相应的触觉信号。 由于应力场的变化只受外力影响，而不依赖于采样位置，因此这种电子皮肤可以用简单的方法制造，并很容易集成到曲面上，用于实际的触觉任务。更重要的是，应力场传感原理允许模块化设计，即可以根据特定传感需求更换BMR的各个部分，这使得BMR成为通用触觉传感的多功能可靠解决方案。 图4：BMR分层结构的分解图 表皮和真皮传感阵列包裹在机械变形层上。表皮和真皮传感阵列具有相似的结构。为确保稳定的传感性能，采用模板法制备的热塑性聚氨酯/炭黑（TPU/CB）泡沫被切割成100 um厚度，仅使用中心薄片作为传感材料，该材料具有高灵敏度、约35 ms的响应时间和稳定的性能。通过激光直写，在层压传感层和铜/PI层上蚀刻出了可拉伸蛇形互连（宽度为150 um）和岛桥结构（1.5×1.5 mm island，间距为5 mm）。这样就得到了具有8×8个传感单元的传感层。 图5：BMR的制造程序示意图 1.3电子皮肤的工作原理 电子皮肤（E-skin）的工作原理是通过模仿人类皮肤的感知能力来感应和响应外界刺激。这种高科技的皮肤主要依赖于其独特的材料和电子组件，以实现对不同类型的环境刺激（如压力、温度和湿度）的高度敏感和精确反应。下面详细介绍电子皮肤的工作原理： 1）传感器层的作用 压力感应：电子皮肤中的压力传感器是其核心部分之一。这些传感器通常由压电材料或电容式元件构成，能够在受到外部压力时产生电信号。当物体接触或施加压力到电子皮肤上时，传感器层的物理形态发生变化，导致电荷重新分布，进而产生电压或电流变化。这些变化被转换为数字信号，以量化接触的强度和位置。 温度和湿度检测：电子皮肤还集成了温度和湿度传感器。这些传感器能够检测环境中的微小温度和湿度变化，并将其转换为电信号。例如，温度传感器可能基于热电效应，而湿度传感器则可能基于材料的电阻或电容随湿度变化而变化的原理。 2）信号处理 信号转换和分析：由传感器层产生的电信号被传输到微处理器和电路系统。在这里，信号被转换为数字数据，并通过算法进行处理和分析。这一过程可以包括放大信号、滤除噪声、数据编码和解码等。 响应和输出：处理后的数据可以用于多种应用。例如，在健康监测方面，电子皮肤可以通过分析皮肤的温度和湿度来监测健康状况。在机器人技术中，电子皮肤可以提供精确的触觉反馈，帮助机器人更精确地抓取和操纵物体。 3）能源和通信 能源管理：电子皮肤需要持续的能源供应来保持其功能。这通常通过嵌入式电池或能量收集系统（如太阳能或热能转换）实现，以维持长期运行。 数据通信：电子皮肤还包含无线通信模块，如蓝牙或Wi-Fi，使其能够将收集和处理的数据传输到外部设备，如智能手机或计算机。 图6：用于动作识别和皮肤力学检测的电子皮肤示例图 图7：特斯拉产品示例图 其中BMR的工作原理基于应力场重建。通过对变形层中的应力场进行采样和分析，BMR能够精确地测量三维力，并区分不同硬度的物体。这种方法的优势在于不需要集成多个不同的传感器来直接测量相应的触觉信号。 图8：BMR基于应力场传感的3D力检测 BMR进行三维力测量的方法是通过分析变形层内的压力分布。首先，要通过分析表皮和真皮层的压力分布来确定其重心位置，进而计算出一个3D力的偏差向量。这个向量的长度或模与力的大小和极角有关，而其方向则对应于方位角。 使用自制的3D力测试设备和16×16读出电路，BMR系统地研究了外力大小保持在5 N时不同角度对压力分布的影响。实验中，极角范围设定为40°～140°，方位角范围为0°～90°。通过对顶部和底部压力分布的分析，BMR能够精确地测量和描绘出3D力的方向和大小。由于应力场的连续性，BMR能够精确测量3D力，极角和方位角的偏差长度标准误差控制在0.16毫米以内，对于垂直力情况，精度最好可以达到0.07毫米。这种高灵敏度和精确度的测量方法使得BMR在高级触觉反馈系统、机器人技术等领域具有重要的应用潜力。 1.4电子皮肤相关专利 汉威科技（子公司能斯达）：苏州能斯达电子科技为汉威科技控股子公司，汉威科技集团持股比例为37.73%。截至目前，能斯达共有138项专利，当前公司专利技术创新趋势主要集中在材料制备及传感器性能提升方面。柔性压力传感器相关专利或技术主要有以下几类： 表2:苏州能斯达公司电子皮肤代表专利 福莱新材（全资子公司欧仁新材料）：浙江欧仁新材料共有专利82项。其中包括有多项传感器方面的专利，分别是基于柔性压敏元件的拉伸传感器、一种柔性温度传感器及其制备方法、一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法、热/磁屏蔽复合结构的柔性霍尔式力传感器上专利。此外，在材料制备方面，有水性压敏碳浆在制造和应用上的专利。 图9：热/屏蔽复合结构剖面图 图10：柔性压力传感器结构示意图 申昊科技：公司自2018年起即开始关注电子皮肤，围绕电子皮肤应用场景，公司布局包括远距离的距离感知传感器、近距离的位置感知（预接触式）、触碰接触感知（触碰式）、指尖力传感、柔性电子皮肤等方向，相关项目尚在研发阶段。当前以基于电容原理感知距离的预接触式电子皮肤传感器为主，实现了小批量生产试用。公司皮肤传感器技术来源主要是自主研发和外部合作相结合。 2电子皮肤技术难点 下图为电子皮肤大致制造流程图： 图11：电子皮肤制作流程图