机器人的触觉革命电子皮肤20240530

•电子皮肤在性能方面面临稳定性和耐用性挑战。目前，材料在多次使用后可能会出现测量结果漂移和误差增大的问题，影响传感器的一致性和可靠性。提高材料的稳定性和耐用性，减少长期使用中的性能衰减是当前研究的重点之一。 •电子皮肤产业链包括上游的原材料和零部件、中游的制造以及下游的应用领域。上游原材料和芯片在成本中占比最高，基底材料对电子皮肤有关键影响。中游制造方面，中国企业起步较晚，外资企业占据大部分市场。下游应用领域广泛，包括消费电子、医疗、汽车和机器人等。 •电子皮肤的生产成本主要包括前端采集芯片、结构件和其他部分。前端采集材料占总成本的20%~30%，芯片占约30%，结构件占15%~20%，剩下的20%~35%包括通讯接口、仪器及其 他部分。主要材料类型均有中国企业供应，国产化率较高。 •电子皮肤在持续形变下的耐久性会逐渐降低，但其准确感知能力需要较强的耐久性，因此延长电子皮肤的使用寿命是一个难点。目前，全球电子皮肤市场的90%左右份额被国际龙头企业占据，中国企业如坤维科技、柯力传感和深厚科技等也在积极研发电子皮肤，并已掌握部分核心技术。 •电子皮肤在机器人领域，特别是人形机器人中的应用具有巨大潜力。目前，主要用于灵巧手中，实现力、温度、纹理等多种类型的感知，从而实现精准操作。未来，应用范围将从手部扩展到四肢，进而覆盖全身，实现通用型智能机器人。预计到2024年下半年，部分企业将实现小批量量产，到2025 年量产能力将达到20-30万台，到2030年将进一步提升至500-600万台。 •目前，电子皮肤在人形机器人中的应用较少，主要用于提升人机交互体验和外界感知能力，研发优先级相对较低。电子皮肤在整个人形机器人价值量中的占比约为4%，预计未来随着技术进步和规模化效应，占比将逐渐下降到2%。根据测算，2024年电子皮肤在全球人形机器人市场的规模预计为4. 6亿元，随着量产的实现和市场需求的增加，到2030年市场规模将达到90.5亿元，年复合增长率超过60%。 Q&A□电子皮肤与人类皮肤的相似性及其功能是什么？□人类皮肤由表皮、真皮和神经构成，具有保护、排泄、调节体温以及感受外界刺激等功能。真皮层含有丰富的血管和神经，能够感知压力、温度和痛觉等。人类皮肤能够感知极其微小的震动和单分子层的差别，具有发达的触觉感知能力。电子皮肤旨在模拟人类皮肤的触觉感知功能，其构造类似于人类皮肤，包括介电材料、活性材料和柔性基材。触觉感知过程主要包括感应外界刺激、传输触觉信号和处理触觉信号三个步骤。电子皮肤需要具备延展性、柔韧性、自愈性、灵敏性和多类型感知等特征，以达到人类皮肤的感知能力。 电子皮肤行业的技术壁垒有哪些？□电子皮肤行业的技术壁垒主要体现在材料和制造方面。在材料方面 ，电子皮肤需要模拟人类皮肤的特性，尽管已经发现了一些柔软、可折叠甚至自修复的材料，但这些材料与人类皮肤的复杂功能相比仍有差距。电子皮肤需要感知压力、温度、湿度等不同刺激，并将这些刺激转化为电信号，这要求材料不仅具有良好的导电性，还要有较高的灵敏度和稳定性。此外，电子皮肤还需具备良好的生物相容性和环境适应性，对材料的选择和设计提出了更高的要求。在制造方面，电子皮肤的商业化需要解决集成度和制造成本的问题。随着功能的增加，如何在有限空间内集成更多传感单 元、运算单元和显示单元，同时保持系统的稳定性和可靠性是一个难题。高端触觉传感器价格昂贵，尤其在大面积使用时，成本问题尤为明显，这也是限制电子皮肤技术大规模应用的主要因素。因此，降低制造成本、提高生产效率是电子皮肤商业化的关键。 电子皮肤在性能方面面临哪些挑战？□电子皮肤在实际应用中需要具备良好的稳定性和耐用性。目前，电子皮肤材料在经过多次使用后，可能会出现测量结果漂移和误差增大的问题，这影响了传感器的一致性和可靠性。耐用度和分辨度是评估触觉传感器性能的重要指标，直接关系到电子皮肤的使用性和商业化进程。因此，提高电子皮肤材料的稳定性和耐用性，减少长期使用中的性能衰减，是当前研究的重点之一。 电子皮肤的产业链情况如何？□电子皮肤的产业链包括上游的原材料和零部件、中游的制造以及下游的应用领域。上游原材料和芯片在电子皮肤成本中占比最高，基底材料对电子皮肤有关键影响。传统基底材料如硅胶、聚酰亚胺等具有优异的机械特性和化学稳定性，已被广泛应用。中游制造方面，中国电子皮肤产业起步较晚，外资企业掌握核心技术，占据大部分市场，少数具备技术和资源优势的中国企业占据部分市场份额。下游应用领域广泛，包括消费电子、医疗、汽车和机器人等。在2022年，全球柔 性触觉传感器下游应用细分领域中，消费电子、医疗和汽车占比较大，其次是机器人领域，主要用于人形机器人。 电子皮肤的生产成本构成如何？□电子皮肤的生产成本主要包括前端采集芯片、结构件和其他部分。前端采集材料通过材料形变或电荷电容变更进行信号采集，占电子皮肤总体造价的20%~30%。芯片 作为核心组件之一，负责数据处理，占总成本约30%。结构件如保持架、屏蔽网罩等，占15%~20%的成本。电子皮肤需要通过特殊材料进行EMC屏蔽，防止零点漂移误差。剩下的20%~35% 包括通讯接口、仪器及其他部分。常用材料包括柔性基底、碳材料和无机半导体材料，柔性基底材料提供机械柔韧性和可穿戴性，碳材料提高灵敏度和稳定性，无机半导体材料用于传感器和晶体管，实现对压力、温度和光线等不同刺激的响应。主要材料类型均有中国企业供应，国产化率较高。 电子皮肤的制备工艺有哪些难点？□电子皮肤的制备工艺包括基底准备、电子元器件制造、装配和封装连接、集成、测试和校准。制备基底可选用喷涂、真空过滤等方法，将基底材料均匀涂覆在衬底上，形成柔性电子皮肤基底。电子元器件制造包含沉积导电半导体材料或其他功能材料，利用光刻、喷涂或打印技术在电子皮肤上定义电极和互联线路，实现电信号传输。封装材料通常透明柔性，具有良好气密性 ，起到保护作用。测试环节包括电性能测试、机械拉伸测试和传感性能测试，校准根据应用场景中的验证结果进行优化。制备难点主要有三个：封装材料的兼容性、高可拉伸性和方法的稳定性及小型化。封装材料需与内部功能材料兼容，电子皮肤的高可拉伸性技术复杂且成本高，目前在方法稳定性和小型化方面仍存在不足。 电子皮肤在持续形变下的耐久性如何影响其应用？目前市场上有哪些主要的参与者？□电子皮肤在持续形变下的耐久性会逐渐降低，但其准确感知能力需要较强的耐久性，因此延长电子皮肤的使用寿命是一个难点。目前，全球电子皮肤市场的90%左右份额被国际龙头企业占据，这些企业具有悠久的历史、 雄厚的资本实力和长期的技术积累。中国电子皮肤市场起步较晚，主要市场份额仍由国际企业主导。尽管如此，中国企业如坤维科技、柯力传感和深厚科技等也在积极研发电子皮肤，并已掌握部分核心技术 。随着人形机器人对电子皮肤需求的增加，国产企业有望凭借成本优势逐渐提升市场份额。 电子皮肤在机器人领域的应用现状和未来发展趋势如何？□电子皮肤在机器人领域，特别是人形机器人中的应用具有巨大潜力。目前，电子皮肤主要用于灵巧手中，实现力、温度、纹理等多种类型的感知，从而实现精准操作。例如，司马二代的灵巧手在每个指尖都配备了触觉传感器，能够通过触觉反馈施加适当的力度。未来，电子皮肤的应用范围将从手部扩展到四肢，进而覆盖全身，实现通用型智能机器人 。预计到2024年下半年，部分企业将实现小批量量产，到2025年量产能力将达到20-30万台，到2030年将进一步提升至500-600万台。 中国在电子皮肤领域的专利情况如何？哪些企业在技术上具有优势？□中国在电子皮肤或触觉传感器领域的授权专利总数超过3万项，但专注于机器人应用的相关专利只有约1，000项。自2018年以 来，中国在该领域的专利申请量显著增长，尤其是2020年至2023年，每年的专利申请数量保持 在130项以上。目前，只有少部分企业掌握了电子皮肤的核心技术。例如，汉威科技的子公司能斯达掌握了柔性压阻、柔性压电、柔性温湿度等核心技术，并拥有年产1，000万支柔性传感器的组装线 。安培龙则掌握了从原材料IC芯片到传感器研发测试和应用的全生产过程技术。柯力传感和申昊科技等企业也具备较强的创新力和较高的盈利水平。 电子皮肤在整个人形机器人价值体系中的占比如何？未来市场规模如何？□目前，电子皮肤在人形机器人中的应用较少，主要用于提升人机交互体验和外界感知能力，研发优先级相对较低。电子皮肤在整个人形机器人价值量中的占比约为4%，预计未来随着技术进步和规模化效应，占比将逐渐下降到2%。根据测算，2024年电子皮肤在全球人形机器人市场的规模预计为4.6亿元，随着量产的实现和市 场需求的增加，到2030年市场规模将达到90.5亿元，年复合增长率超过60%。 人形机器人市场的未来发展前景如何？电子皮肤在其中扮演什么角色？□目前，全球人形机器人市场仍处于研发阶段，预计2024年下半年部分企业将实现小批量量产，2025年量产能力将达到20-30万台，到2030年将进一步提升至500-600万台。电子皮肤在提升人形机器人的仿生能力 和人机交互体验方面扮演重要角色，能够使机器人拥有类似人类的真实皮肤，感知外界温度、湿度等，并通过触觉反馈实现精准力控。随着人形机器人市场的高速增长，电子皮肤的需求量也将不断上升，预计到2030年市场规模将达到90.5亿元。