觸覺傳感器

觸覺傳感器在人形機(jī)器人技術(shù)中至關(guān)重要。

觸覺傳感器經(jīng)歷了許多重要的迭代，從單一觸覺傳感器到綜合觸覺傳感器、柔性觸覺傳感器，再到觸覺反饋再現(xiàn)和情感交流。

PVDF（壓電聚合物材料）傳感器具有壓電系數(shù)高、性能穩(wěn)定、質(zhì)地柔軟、電壓響應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)，非常適合人形機(jī)器人的指尖使用。當(dāng)PVDF材料彎曲變形時(shí)，可以產(chǎn)生電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)觸覺的準(zhǔn)確感知。

人形機(jī)器人手部感知并不局限于觸覺傳感器的作用。 ? ?

觸覺傳感器作為視覺感知的重要補(bǔ)充，可以幫助機(jī)器人更全面地了解周圍環(huán)境，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)、柔性皮膚、智能駕駛艙和可穿戴設(shè)備等場景。

據(jù)VMR測算，2021年全球觸覺傳感器市場規(guī)模已超過112.5億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到260.8億美元，實(shí)現(xiàn)年均12.8%的快速增長。

觸覺傳感器原理：

國內(nèi)主要布局廠商包括柯力傳感（指尖觸覺）、漢威科技（柔性傳感器）、東華測試、華益科技、康斯特、敏芯股份（關(guān)節(jié)扭矩與平衡）。

編碼器

編碼器是一種用于檢測旋轉(zhuǎn)角度和直線位移的傳感器。

根據(jù)不同的檢測原理，編碼器主要分為光電編碼器、磁性編碼器、電感編碼器和電容編碼器。在刻度方法和信號輸出形式上，編碼器可分為增量、絕對和混合。

在人體機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，對編碼器的需求很大。一般來說，每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需要配備2個(gè)編碼器，人體機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)總共需要28個(gè)編碼器。

同時(shí)，每個(gè)線性關(guān)節(jié)和靈巧的手至少需要一個(gè)編碼器，分別需要14個(gè)和12個(gè)編碼器。預(yù)計(jì)單個(gè)人形機(jī)器人需要使用約54個(gè)編碼器。這種大量的編碼器配置保證了人形機(jī)器人在運(yùn)動過程中的精確控制和穩(wěn)定性。 ? ?

目前，編碼器市場技術(shù)壁壘較高，主要由國外廠商主導(dǎo)。

與進(jìn)口產(chǎn)品相比，國內(nèi)編碼器在精度和綜合性能上仍存在一定差距，中國高端編碼器市場主要被海外企業(yè)占據(jù)。

在2022年的國內(nèi)編碼器市場中，多摩川和海德漢占據(jù)了42%的市場份額。余衡光學(xué)（奧普光電控股子公司）排名第三，占市場份額的8%。

宇恒光學(xué)是國內(nèi)編碼器領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，打破了海外廠商的壟斷。光柵編碼器產(chǎn)品已成功引進(jìn)華中數(shù)控、廣數(shù)、科德數(shù)控等機(jī)床企業(yè)，并與沈陽新松機(jī)器人合作。具有代表性的JFT系列絕對光柵尺產(chǎn)品已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，最高分辨率高達(dá)2.5nm。

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2022年國內(nèi)編碼器市占率情況：資料來源：MIR、掃商證券、行行查

目前，人類機(jī)器人市場正處于快速增長階段，對傳感器的需求也在增加。傳感器技術(shù)作為連接軟件和硬件的橋梁，在智能升級中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。傳感器廣泛應(yīng)用于人類機(jī)器人中，涉及力感知、狀態(tài)感知、視覺感知和位置感知等領(lǐng)域。

經(jīng)過長期的技術(shù)積累，國內(nèi)廠商在這些領(lǐng)域取得了重要突破，布局了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器產(chǎn)品，有望抓住人形機(jī)器人發(fā)展的廣闊機(jī)遇，加快國內(nèi)替代的實(shí)現(xiàn)。

壓力觸覺傳感器分析

力/力矩傳感器：機(jī)器人常用應(yīng)變式六維，制造工藝難度大

力傳感器有壓力、稱重、扭矩等類型，通過荷電效應(yīng)和磁場效應(yīng)將力轉(zhuǎn)換為電信號。力是引起物質(zhì)運(yùn)動變化的直接原因，力傳感器是將力的量值轉(zhuǎn)換為電信號的器件，可以檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、應(yīng)變等力學(xué)量，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、航天航空、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。根據(jù)其測量的力的類型不同，可以分為扭矩傳感器、稱重傳感器、拉力傳感器和壓力傳感器。力傳感器工作的原理主要基于荷電效應(yīng)和電磁感應(yīng)效應(yīng)，當(dāng)力傳感器受到力的作用是，內(nèi)部的電荷/磁場會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而產(chǎn)生電信號。 ? ?

按測量力的緯度劃分，力傳感器可以分為一維、三維和六維力傳感器，二維和五維的力傳感器較少。力的方向和作用點(diǎn)決定該用幾維的力傳感器測量：1）如果力的方向和作用點(diǎn)固定且和一維力傳感器的標(biāo)定坐標(biāo)軸一致，那么一維傳感器就能對其精確測量；2）如果力的方向隨機(jī)變化，力的作用點(diǎn)保持不變且與傳感器的標(biāo)定參考點(diǎn)重合，那么三維力傳感器能完成任務(wù)，可以同時(shí)測量F的分力Fx、Fy、Fz；3）如果力的方向和作用點(diǎn)都在三維空間內(nèi)隨機(jī)變化，那么空間中任意的作用點(diǎn)力可以分解為沿標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向分力和繞標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向力矩（作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動的趨向），則需要使用六維力傳感器來測量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六個(gè)分量。

根據(jù)感力器件的不同，六維力傳感器可以分為應(yīng)變式（電阻式）、光學(xué)式和電容/壓電式力矩傳感器。六維力傳感器通常由彈性體、應(yīng)變片、電橋、信號調(diào)理器和輸出接口等組成，其中彈性體和應(yīng)變片是核心器件，當(dāng)力輸入后，彈性體將物體受到的力和力矩轉(zhuǎn)化為應(yīng)變，應(yīng)變片再檢測彈性體的應(yīng)變情況，電橋再將應(yīng)變片的信號轉(zhuǎn)化為電信號，信號調(diào)理器再對電信號進(jìn)行處理最后通過輸出接口輸出。不同類型的六維力傳感器其中應(yīng)變片對應(yīng)的材料不同：

1）應(yīng)變力式力扭矩傳感器：應(yīng)變片采用的硅應(yīng)變片或金屬箔，應(yīng)變片被貼在彈性體上，當(dāng)力矩傳感器受力是，硅應(yīng)變片或金屬箔形變被測量轉(zhuǎn)換成電信號，再通過算法計(jì)算成需被計(jì)量的數(shù)值。該類力矩傳感器采用了粘接應(yīng)變片和可變形板，制造工藝較為復(fù)雜，成本較高。但其有較高分辨率且可以承受極端載荷，據(jù)Robotous，目前市場份額占比80%以上。

2）光學(xué)式力扭矩傳感器：據(jù)Robotous，光學(xué)式力扭矩傳感器市場份額最低，平常較難找到。傳感器受到力作用是，光學(xué)傳感器測量光強(qiáng)度變化，將光柵欄變化的信號轉(zhuǎn)化為電信號。該類傳感器制造工藝和水平適中，光信號受點(diǎn)噪聲影響較小，具有較高穩(wěn)定性，但它不能承受重載荷，實(shí)際使用較少。

3）電容/壓電式力矩傳感器：壓電式力矩傳感器是通過壓電材料的形變產(chǎn)生靜電電荷/電壓變化從而產(chǎn)生電信號；電容式力矩傳感器則是采用非接觸式傳感結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片是非接觸式電極，傳感器受力產(chǎn)生電容差而計(jì)算力的具體量值。該類傳感器制造工藝最簡單，成本最低，但由于數(shù)據(jù)具有較高的非線性，對處理數(shù)據(jù)的算法要求較高。 ? ?

六維力傳感器核心壁壘在于非線性、遲滯性、重復(fù)性、溫度等其他影響，國內(nèi)外仍有一定差距。六維力傳感器生產(chǎn)商第一梯隊(duì)目前仍被國外廠商如量產(chǎn)數(shù)量美國Vishay、德國HBM和日本NMB為主，第二梯隊(duì)才是國內(nèi)廠商如柯力傳感等公司，國內(nèi)外發(fā)展差距較大的原因主要是六維力傳感器的制造工業(yè)難度較高，具體表現(xiàn)在：1）現(xiàn)六維力/力矩傳感器技術(shù)開發(fā)和工藝成本的平衡并不統(tǒng)一；2）應(yīng)變片材料配方較難；3）應(yīng)變片如何貼到彈性體上難度較高；4）六維力信號的解耦解算難度較高，這種是解耦解算非線性的，但敏感元件+溫度響應(yīng)問題會加劇非線性問題；5）傳感器之間會有應(yīng)變片以外的形變問題如漂移等會影響精度。

電子皮膚與觸覺感知

綜述

柔性壓阻型觸覺傳感器陣列：開發(fā)智能機(jī)器人觸控系統(tǒng)

壓阻型是柔性觸覺傳感器的主要類型之一，尤其適合構(gòu)建具有高空間分辨率的大型觸覺傳感器網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)電納米材料（碳納米管）與聚合物彈性體（如聚氨酯等）二者合成的壓阻薄膜（PRF）是壓力傳感器的首選材料之一，但在實(shí)踐中因材料融合問題導(dǎo)致PRF靈敏度較低。雖然可以采用表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)靈敏度，但基于模具的微結(jié)構(gòu)往往限制了單個(gè)壓力傳感器的尺寸并阻礙其向大型傳感器陣列的集成。同時(shí)，構(gòu)建大型壓力傳感器陣列還需要具有薄膜晶體管（TFT）陣列的有源矩陣，以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率并減少相鄰傳感器像素之間的串?dāng)_。

1.電子皮膚與觸覺感知 ? ?

電子皮膚由三維界面、局部點(diǎn)微應(yīng)力檢測單元和外圍電路組成，工作原理較為簡單。以電容式壓力傳感器為例，三維界面應(yīng)力檢測單元用于檢測應(yīng)力的大小，微應(yīng)力檢測單元由新型表面波壓力傳感器組成，用于檢測局部點(diǎn)的微應(yīng)力大小，柔性電子皮膚可以實(shí)時(shí)檢測三維界面和指定點(diǎn)的應(yīng)力大小，將各個(gè)點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)輸出到外部以達(dá)到實(shí)時(shí)檢測電子皮膚分布界面的應(yīng)力。柔性壓力/溫度等傳感器的工作原理主要是通過力敏/熱敏等敏感元件感受外部環(huán)境的變化，通過外部信號導(dǎo)致柔性傳感器內(nèi)部的壓電材料/電容/電阻等發(fā)生變化從而產(chǎn)生電信號（微型傳感器實(shí)現(xiàn)），從而達(dá)到測量的目的。

柔性電子皮膚的核心壁壘在于如何設(shè)計(jì)電路，從而達(dá)到其穩(wěn)定性、選擇性、靈敏度和機(jī)械協(xié)調(diào)性問題。柔性傳感器的這幾大難點(diǎn)也是目前限制柔性電子皮膚大規(guī)模發(fā)展的重要原因：1）穩(wěn)定性：柔性電子皮膚的穩(wěn)定性問題主要來源于高聚合分子材料，聚合材料拉伸的可延展性不佳和生物污染等問題會導(dǎo)致柔性傳感器穩(wěn)定性不佳；2）選擇性：是指傳感器區(qū)分目標(biāo)分析物和可能的干擾物的能力，EMI等問題容易導(dǎo)致傳感器區(qū)分不開測量目標(biāo)；3）靈敏度：大多數(shù)機(jī)械性傳感器存在假陰性、非線性等問題；4）機(jī)械協(xié)調(diào)性：傳感器中使用的材料種類繁多，但每種材料的機(jī)械性都不同，界面失配容易導(dǎo)致機(jī)械性失調(diào)問題。

當(dāng)前，柔性觸覺傳感器主要局限于單一的壓力或觸覺感知，而電子皮膚的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多功能感知，如溫度、濕度和壓力等。盡管目前市場上的產(chǎn)品尚未達(dá)到這一多感知目標(biāo)，但研究仍在積極進(jìn)行中。 ? ?

技術(shù)和市場競爭方面，全球廠商如奧迪V和蘇州能思達(dá)在電子領(lǐng)域中采用相似的柔性觸覺傳感器技術(shù)，并都專注于電子皮膚的研發(fā)。其中，壓阻式觸覺傳感器因其高靈敏度成為主流，但也面臨著干擾和可靠性的問題。

核心材料對性能的影響顯著。觸覺傳感器的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括靈敏度、量程、一致性、重復(fù)性、信號噪比、線性度、可靠性、使用壽命以及環(huán)境限制。特別是壓敏碳漿，它決定了傳感器的基礎(chǔ)性能，如靈敏度和可靠性。

2.傳感技術(shù)的核心要素

國內(nèi)外觸覺傳感器的差距主要體現(xiàn)在亞米碳漿層的品質(zhì)和性能、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制程工藝控制，以及后端算法解析上。

在行業(yè)內(nèi)，大多數(shù)公司自主掌握核心材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，而后端算法的開放程度較大，強(qiáng)調(diào)與客戶合作開發(fā)。

傳感器的成本構(gòu)成包括傳感器含量、制造成本和算法等。隨著量產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，預(yù)計(jì)會出現(xiàn)顯著的成本下降。

3.柔性電子皮膚的定制化投資價(jià)值

柔性觸覺傳感器的定價(jià)取決于客戶需求的功能、性能、精細(xì)度和復(fù)雜性，以及最終的布置規(guī)模和設(shè)計(jì)，因此沒有標(biāo)準(zhǔn)化的商品或定價(jià)。

在服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用中，電子皮膚能使機(jī)器人更精準(zhǔn)地感知周圍的人和物體，解決了由于紅外或雷達(dá)傳感器過度敏感導(dǎo)致的效率問題，適用于送咖啡、快餐等功能。

隨著量產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，成本有望顯著降低，理論上可以降至1000元以內(nèi)。人形機(jī)器人對電子皮膚的需求較大，理想情況下應(yīng)覆蓋所有外露部分。

4.柔性觸覺傳感器的可持續(xù)性

柔性傳感器材料具有高耐用性和易替換性，特別適合用于人形機(jī)器人?；讐勖c機(jī)器人匹配，非破壞性老化問題不大。 ? ?

雖然MEMS傳感器精度高，但技術(shù)壁壘較大，且制造精度的不同會帶來不同程度的技術(shù)挑戰(zhàn)。

高分子材料被廣泛應(yīng)用于柔性觸覺傳感器中，如PET和PI等，具有良好的耐候性和抗老化性。

5.柔性傳感器的性能與市場前瞻

柔性觸覺傳感器的制程和材料是關(guān)鍵因素。盡管國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以相互模仿，但在制程能力和亞米碳漿層材料上存在差異，這決定了產(chǎn)品的性能和精度。

在靈敏度和量程方面，目前沒有一致的標(biāo)準(zhǔn)。不同產(chǎn)品具有不同的規(guī)格，量程一般在克到公斤級別，沒有絕對的優(yōu)劣之分。

據(jù)報(bào)道，某國內(nèi)公司可能擁有先進(jìn)的電子皮膚技術(shù)。例如，優(yōu)必選與合作伙伴研發(fā)的電子皮膚要求高、功能復(fù)雜，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，與特斯拉的傳感器技術(shù)明顯不同，但具體細(xì)節(jié)和價(jià)值尚未透露。

6.觸覺傳感器技術(shù)難點(diǎn)探討

觸覺傳感器的要求高，實(shí)現(xiàn)難度大。在現(xiàn)有技術(shù)下，單點(diǎn)觸覺傳感器要實(shí)現(xiàn)0.1牛至240牛力的檢測范圍存在挑戰(zhàn)，特別是在0.1牛力檢測的靈敏度上，要求極為嚴(yán)苛，制造過程中面臨諸多困難。

材料應(yīng)用的差異性明顯。在壓敏層中，碳系導(dǎo)電填料(如碳黑、碳納米管和石墨烯等)的應(yīng)用對提升靈敏度和量程至關(guān)重要。企業(yè)間的配方屬于核心秘密，而導(dǎo)電漿料主要用于電極，不屬于壓敏層。

在國內(nèi)，有多家企業(yè)在柔性觸覺傳感器領(lǐng)域活躍，包括能思達(dá)、力感、墨線、黃埔材料研究院等。其中，紐迪瑞在觸覺開關(guān)等細(xì)分市場表現(xiàn)突出。各企業(yè)采取差異化布局，具有較高的關(guān)注價(jià)值。 ? ?

特斯拉人形機(jī)器人傳感技術(shù)探討

綜述

1.特斯拉人形機(jī)器人傳感技術(shù)探討

東莞墨線為特斯拉人形機(jī)器人提供的主要傳感器樣本是柔性傳感器，規(guī)格包括1×2厘米、1×1厘米和1厘米×4厘米。相較于高密度的傳感器布局(如手指上的約96個(gè)點(diǎn)位),這些傳感器的粒度較為粗略。目前，特斯拉可能在機(jī)器人上使用高密度壓力傳感器。這些傳感器的手指部分覆蓋有硬質(zhì)支撐，表面可能是硅膠或橡膠，從而實(shí)現(xiàn)柔軟外觀和硬質(zhì)支撐的結(jié)合。

市場上的機(jī)器人傳感器采用多種技術(shù)路線，如壓阻式、壓電式和電容式。柔性傳感器的價(jià)格相對較低，可能是高密度檢測方案成本的20-30%。

2.柔性傳感器技術(shù)方案解析

柔性傳感器的監(jiān)測原理各有差異：壓阻式適用于監(jiān)測恒定變化；壓電式對頻繁變動更為敏感，適合心率檢測；而電容式生產(chǎn)難度較大，受機(jī)械間距影響顯著。柔性材料在應(yīng)用中的細(xì)節(jié)表現(xiàn)為：柔性傳感器通過電路陣列實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，陣列內(nèi)的交錯(cuò)點(diǎn)分布有壓敏材料，能夠精細(xì)捕捉壓力變化。

成本和應(yīng)用范圍方面，單手應(yīng)用柔性傳感器的成本約為2000-3000元。手腳需要密集布點(diǎn)，而胸背等部位由于密度較低，成本可能會較低。

3.柔性傳感器的技術(shù)路徑探討

柔性傳感器的技術(shù)優(yōu)勢在于其能夠在多曲面布置，適應(yīng)非平面的復(fù)雜形狀，滿足客戶對柔軟、自然外觀的需求。當(dāng)前市場主要需求是壓力檢測功能，對溫度和濕度檢測需求較低，因?yàn)橐延懈墒毂憬莸臋z測方法。生產(chǎn)工藝方面，目前存在三種主要工藝：導(dǎo)電油墨成本較高，壓阻材料布局簡單且成本節(jié)約，而霍爾素材傳感器在多點(diǎn)布局時(shí)成本高昂，不適用于大批量生產(chǎn)，制造過程中存在局限性。 ? ?

4.趨勢與挑戰(zhàn)

柔性傳感器早期主要用于床墊和座椅碰撞檢測，近年來開始應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，但由于技術(shù)和成本問題，進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域的時(shí)間較晚。核心技術(shù)壁壘主要包括材料一致性難以保持、溫度變化下的穩(wěn)定性問題，以及處理脆弱材料加工難度大、制造成本低但整合難度高等。

降本途徑可能包括提高產(chǎn)量，通過大面積一次性生產(chǎn)后裁剪，提高自動化程度以減少手工作業(yè)，增強(qiáng)傳感器的可采性和自動化組裝能力。

5.探索柔性傳感器國內(nèi)外投資機(jī)遇國內(nèi)某些機(jī)器人零部件廠商正在布局電子皮膚領(lǐng)域，如拓普，已開始招聘與電子皮相關(guān)的人員。然而，目前行業(yè)內(nèi)尚未形成廣泛的合作關(guān)系，也未見與特斯拉供應(yīng)鏈的直接關(guān)聯(lián)。柔性傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器人、床墊和汽車座椅，其中新能源汽車領(lǐng)域?qū)鞲衅餍枨筝^大。中國與海外的柔性傳感器技術(shù)存在一定差異，主要集中在科研用途，國內(nèi)外均尚未大規(guī)模應(yīng)用于消費(fèi)品。國內(nèi)外價(jià)格存在差異，外國產(chǎn)品定價(jià)可能更高。

在產(chǎn)業(yè)鏈中，生產(chǎn)壓印材料、柔性材料和壓阻或壓電材料的廠商掌握關(guān)鍵技術(shù)，可能獲得最大紅利。雖然電路容易復(fù)制，但柔性材料和基底壓阻材料的大規(guī)模生產(chǎn)仍面臨挑戰(zhàn)。

6.傳感技術(shù)革新缺乏動力科技公司因固化思維模式，缺乏迭代進(jìn)步，導(dǎo)致營收增長停滯在3000萬，缺乏推動技術(shù)前進(jìn)的動力。國內(nèi)柔性傳感器廠商大多規(guī)模較小，研發(fā)能力有限，多為代工廠。關(guān)鍵在于生產(chǎn)工藝和基材選擇，油墨噴涂與模材技術(shù)路線分化。

柔性傳感器膜材技術(shù)因其可制作為單層復(fù)合布，具有低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，適用范圍更廣，潛在市場包括座椅廠和床墊廠。

二、專家解疑

Q:東莞墨線公司為特斯拉人形機(jī)器人提供了何種類型的電子屏樣品?其應(yīng)用場景是什么?

A:東莞墨線公司為特斯拉提供的樣品是柔性傳感器，尺寸約為1×2厘米，主要用于測試傳感器的靈敏度和加工潛力。這些傳感器的具體應(yīng)用場景是在機(jī)器人手指上，雖然提供的樣品密度較低，每平方厘米約有七八十個(gè)點(diǎn)，但與高密度傳感器相比，它們由高分子材料構(gòu)成的硬版結(jié)構(gòu)，內(nèi)部支撐為硬質(zhì)材料。 ? ?

Q:在特斯拉發(fā)布的視頻中，人形機(jī)器人的手指能捏起雞蛋使用了什么類型的傳感器?

A:根據(jù)視頻內(nèi)容，特斯拉人形機(jī)器人手指捏起雞蛋似乎采用了高密度的壓力陣列傳感器，而非柔性傳感器。盡管傳感器可能外部覆蓋軟材質(zhì)(如硅膠或橡膠),但內(nèi)部具有硬質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)抓握物體。理論上，柔性傳感器也可能實(shí)現(xiàn)這一功能，但實(shí)際應(yīng)用中可能是壓力傳感器。

Q:目前其他人形機(jī)器人產(chǎn)品在柔性傳感器上的應(yīng)用情況如何?

A:除了特斯拉，其他人形機(jī)器人的具體應(yīng)用情況并不明確。一些機(jī)器人可能在手上使用了壓力陣列，例如帕西尼公司的柔性傳感器。他們的手掌和手指采用壓力傳感器技術(shù)，如果作為成品銷售，單點(diǎn)傳感器的成本可能在幾百元左右，但目前似乎還未進(jìn)入量產(chǎn)階段。

Q:在性能、成本和技術(shù)上，柔性傳感器、MEMS和霍爾傳感器有何差異和優(yōu)勢?

A:MEMS和霍爾傳感器由于需要高精度的檢測鏈路和復(fù)雜的制造工藝，成本較高。相比之下，柔性傳感器，尤其是高分子薄膜類型，成本可能僅為MEMS和霍爾傳感器的二三十百分比。在技術(shù)性能方面，各類型傳感器的精度各異，MEMS和霍爾傳感器可能具有較高精度，而柔性傳感器的精度可能較低，大約在正負(fù)10%左右。然而，柔性傳感器的優(yōu)勢在于成本控制，其監(jiān)測的是壓力，工作原理相對簡單，因此整體成本可以保持在較低水平。當(dāng)前市場上的傳感器方案包括壓阻、壓電、電容以及壓力陣列傳感器。

Q:請比較壓阻式、壓電式和電容式傳感器的工作原理及其適用場景。

A:壓阻式傳感器適用于監(jiān)測恒定的壓力變化，如在受到一公斤力時(shí)，電阻會穩(wěn)定在對應(yīng)的值上，只需測量電壓即可。壓電式傳感器則適合于監(jiān)測頻繁變化的場景，如心跳，因其壓電材料在受壓時(shí)會產(chǎn)生微小電流，但這種電流會在壓力消失后消失，其敏感度可達(dá)幾微克。至于電容式傳感器，其原理與壓阻式相似但更復(fù)雜，因?yàn)樗鼘蓸O間距的變化非常敏感，監(jiān)測難度較大，電路設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。此外，電容式傳感器的一次性制造難度較大，不易于量產(chǎn)。 ? ?

Q:柔性傳感器的點(diǎn)位是什么?在應(yīng)用中，例如機(jī)器人手指，通常會布置多少個(gè)點(diǎn)位?

A:點(diǎn)位是指傳感器上用于檢測壓力的特定位置。在某一特定區(qū)域，比如一個(gè)機(jī)器人手指的指尖，可以設(shè)置多個(gè)點(diǎn)位。以11毫米×8毫米的面積為例，可能布設(shè)有96個(gè)點(diǎn)(形成12×8的陣列),這樣就能感知該區(qū)域不同位置的壓力變化。這種傳感器通過電阻陣列實(shí)現(xiàn)，每個(gè)交叉點(diǎn)覆蓋壓敏材料，而非整個(gè)設(shè)備。這樣的設(shè)計(jì)能夠生成詳細(xì)的壓力分布圖像。對于機(jī)器人應(yīng)用，傳感器的布置取決于其功能需求，有些機(jī)器人可能只需要在指尖布置，而有些可能需要在整個(gè)手部和手背都布置點(diǎn)位。

Q:制作覆蓋整個(gè)手部的柔性傳感器大約需要多少成本?

A:成本會根據(jù)功能需求和點(diǎn)位數(shù)量的不同而變化。如果是單個(gè)手指的機(jī)器人應(yīng)用，可能只需在幾個(gè)手指上布置傳感器。目前尚未見到對手掌傳感器的明顯需求，因此僅考慮手指部分。一個(gè)全手版本的柔性傳感器大約需要2000-3000元人民幣的成本。

Q:除了手部，你認(rèn)為柔性傳感器還可能應(yīng)用于身體的哪些部位?

A:除了手部和腳部，機(jī)器人其他大面積部位如胸部或背部可能不需要過于密集的點(diǎn)位布置，可能只需幾個(gè)點(diǎn)位用于碰撞防護(hù)功能。相比之下，由于手部和腳部的敏感性，需要更高密度的點(diǎn)位覆蓋。然而，目前胸部或背部的防撞需求較低，這些功能可能通過其他技術(shù)，如激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)。如果僅用于大面積部位的檢測，成本可能相對較低，可能只需幾百元。

Q:在未來的技術(shù)路線中，哪種柔性傳感器的應(yīng)用可能性更高?與MEMS和霍爾傳感器相比，柔性傳感器有何突出優(yōu)勢?

A:柔性傳感器的主要優(yōu)勢在于其電路板可以使用可彎曲材料，如PIA或PT材料，能夠適應(yīng)不平整的表面，適合于多曲面布置。相比之下，MEMS和霍爾傳感器可能更適用于平面應(yīng)用。因此，柔性傳感器更適合于那些不需要硬質(zhì)外觀，并有曲面或多曲面貼合需求的場景。 ? ?

Q:當(dāng)前的柔性傳感器主要檢測壓力功能，是否有客戶開始關(guān)注檢測溫度、濕度等其他皮膚感知功能?

A:目前收到的需求主要集中在壓力檢測方面，暫時(shí)還沒有關(guān)于溫度和濕度檢測的客戶需求。溫度和濕度的檢測有許多其他方法，不一定需要依賴安裝在皮膚上的傳感器。

Q:能否簡單介紹一下柔性傳感器的生產(chǎn)工藝和零部件生產(chǎn)過程?

A:柔性傳感器的生產(chǎn)首先需要確定基底材料并規(guī)劃電路走線；大多數(shù)傳感器需要布線設(shè)計(jì)。接下來是選擇壓阻材料，電容型傳感器的設(shè)計(jì)相對簡單。目前有三種主要的壓阻材料方向：一是使用導(dǎo)電油墨，雖然成本較高且品控復(fù)雜，工藝涉及涂抹、測量和干燥等步驟，但導(dǎo)電油墨的一致性難以保證。二是采用高分子膜，其在任何地方的貼合能力使其在批量生產(chǎn)中更為簡單和低成本。三是軟磁體材料，盡管材料本身便宜，但配套的霍爾器件布局和監(jiān)測較為復(fù)雜和昂貴。在數(shù)據(jù)處理方面，數(shù)據(jù)量通常不大，可以使用低端的MCU進(jìn)行處理，無需高級的SOC。至于硬質(zhì)元件，如果貼在柔性電路板上，輕微的彎折可能導(dǎo)致元件脫落，因此不太適合大規(guī)模生產(chǎn)。

Q:柔性傳感器的技術(shù)發(fā)展歷程和未來趨勢是什么?

A:柔性傳感器在國外的研究歷史可追溯到二三十年前。初期，其主要應(yīng)用于床墊和座椅上，以監(jiān)測壓力分布和人體姿態(tài)。然而，其在機(jī)器人和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用則是最近幾年才開始興起的。展望未來，柔性傳感器可能會朝著小型化、高精度的方向發(fā)展，并有望在各種工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

Q:柔性傳感器的核心技術(shù)和生產(chǎn)難點(diǎn)在哪里?

A:柔性傳感器的核心技術(shù)在于基底的一致性，確保生產(chǎn)出的產(chǎn)品在數(shù)字穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性上達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于傳感器的制造難度，部分傳感器對高溫敏感，無法采用熱壓工藝處理。此外，如何有效地與其他產(chǎn)品集成也是一項(xiàng)難題。材料一致性通過配方設(shè)計(jì)和高速混料機(jī)來實(shí)現(xiàn)，旨在使導(dǎo)電材質(zhì)均勻分布。核心問題在于能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和自動化組裝。 ? ?

Q:降低柔性傳感器成本的策略有哪些?

A:降低成本的關(guān)鍵與生產(chǎn)效率緊密相關(guān)。通過一次性生產(chǎn)大面積產(chǎn)品并進(jìn)行裁切，可以顯著降低成本。同時(shí)，提高生產(chǎn)過程的自動化程度也是關(guān)鍵，這能夠減少人工成本并提升效率。傳感器需要具備良好的切割性能，且工藝流程需達(dá)到自動化水平以降低生產(chǎn)成本。核心策略包括生產(chǎn)大面積的壓阻材料和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。

Q:基底材料的制造過程主要包括哪些步驟?

A:基底材料的制造過程涉及摻雜導(dǎo)電材料、混合材料以及通過熱加工形成卷對卷的材料。這個(gè)過程大致可以分為三個(gè)主要步驟：材料混合、基底準(zhǔn)備和熱壓處理。配方調(diào)配是這一過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而大規(guī)模生產(chǎn)則是降低成本的有效途徑。

Q:柔性電路板的制作過程是怎樣的?

A:柔性電路板的制作過程取決于客戶的具體需求。通常有兩種方案可供選擇：一種是絲網(wǎng)印刷法，適用于面積較大且點(diǎn)密度不高的情況；另一種是光刻工藝，適用于需要高密度點(diǎn)陣的應(yīng)用，如手指尖端的傳感器。這些過程中通常會添加銀線或銅線，其中非常細(xì)的線需要通過精細(xì)工藝來制作。在完成電路板制作后，會在其上覆蓋之前提到的導(dǎo)電混合材料。在這個(gè)過程中，工藝的精度對產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響。

Q:如何將柔性傳感器貼在機(jī)器人表面?

A:一些制造商建議在傳感器上添加背膠，以便直接粘貼在相應(yīng)的表面。這種做法取決于客戶的特殊需求。在實(shí)際應(yīng)用中，粘貼方法應(yīng)適應(yīng)各種使用場景和要求。

Q:國內(nèi)一些人形機(jī)器人的零部件供應(yīng)商，如拓普和三花智控，已經(jīng)開始研發(fā)電子皮膚。我們是否嘗試與他們合作，以進(jìn)入特斯拉供應(yīng)鏈? ? ?

A:目前，我們尚未與拓普集團(tuán)或三花智控在這方面進(jìn)行合作。

Q:在國內(nèi)其他機(jī)器人企業(yè)方面，我們是否有過前期接觸或合作?例如優(yōu)必選。

A:截至目前，我們尚未收到優(yōu)必選等廠商的聯(lián)系。

Q:國內(nèi)柔性傳感器市場的規(guī)模及其未來發(fā)展前景是什么樣的?

A:除了在機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展外，柔性傳感器在未來還有望應(yīng)用于床鋪和座椅等領(lǐng)域。例如，通過結(jié)合床鋪和座椅內(nèi)部的高密度點(diǎn)位檢測進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是我們接到需求最多的兩個(gè)領(lǐng)域。實(shí)際上，新能源汽車座椅的需求最大，主要集中在汽車領(lǐng)域。

Q:中國柔性傳感器的技術(shù)水平與海外廠商相比有何差異?

A:國內(nèi)與海外廠商在技術(shù)上的主要差異在于價(jià)格。外國廠商的產(chǎn)品定價(jià)通常較高，主要供應(yīng)給研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓力分布的設(shè)備，似乎并未打算大規(guī)模應(yīng)用于消費(fèi)品。而國內(nèi)產(chǎn)品的性能與國外產(chǎn)品相差不大。

Q:在柔性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈中，哪個(gè)環(huán)節(jié)的廠商可能獲得最大的產(chǎn)業(yè)鏈紅利?

A:掌握關(guān)鍵壓鑄材料制造的廠商可能會獲得最大的紅利，因?yàn)樗麄兛刂屏藗鞲衅髦凶铌P(guān)鍵的部分。壓阻或壓電等材料的生產(chǎn)較為困難，雖然電路相對容易復(fù)制，但柔性基底和壓阻材料的大規(guī)模生產(chǎn)更具挑戰(zhàn)性。目前，導(dǎo)電薄膜的供應(yīng)商稀少，我們公司與制印廠合作供應(yīng)薄膜材料。

Q:國內(nèi)柔性傳感器廠商的能力和競爭格局如何?例如南斯達(dá)和深圳立改等廠商。A:我們與南斯達(dá)和深圳立改等廠商有一些合作。他們的技術(shù)路線主要集中在導(dǎo)電油墨的方向。配方是生產(chǎn)柔性傳感器的核心壁壘，其重要性和難以復(fù)制性決定了廠商的競爭地位。

專家解疑(二)

Q:特斯拉最新發(fā)布的觸覺傳感器與電子皮膚在技術(shù)上有哪些區(qū)別? ? ?

A:特斯拉的觸覺傳感器引起了廣泛關(guān)注，但與電子皮膚存在根本差異。特斯拉的傳感器主要部署在手指尖和關(guān)節(jié)處，采用傳統(tǒng)的硅基材料，這些材料堅(jiān)硬且屬于較為成熟的技術(shù)領(lǐng)域。相比之下，電子皮膚側(cè)重于柔韌性和多功能感知能力，旨在模仿人類皮膚的功能。目前的大多數(shù)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)單一感知功能，如溫度或濕度感應(yīng)。因此，特斯拉的產(chǎn)品可被視為觸覺傳感器或陣列，但并不完全等同于全面的電子皮膚。

Q:您如何看待觸覺傳感器的終極研究目標(biāo)?

A:觸覺傳感器的終極研究目標(biāo)是模擬人類皮膚的多功能感知能力，包括但不限于溫度、濕度、壓力感知，甚至更高級別的感知功能，如針刺感或粗糙度識別。盡管當(dāng)前市場上的產(chǎn)品大多局限于單一觸覺功能，無論是特斯拉的解決方案還是其他電子皮膚技術(shù)，都仍處于這一發(fā)展階段。然而，已有研究正在朝著這一終極目標(biāo)邁進(jìn)。

Q:目前市場上的柔性觸覺傳感器產(chǎn)品與人形機(jī)器人的應(yīng)用之間是否存在技術(shù)共性?國內(nèi)如奧迪V和蘇州能思達(dá)公司的產(chǎn)品與海外公司有何差異?

A:國內(nèi)公司如能思達(dá)，主要專注于柔性觸覺傳感器的研發(fā)，這在技術(shù)原理上與人形機(jī)器人的應(yīng)用存在共性。這些公司近年來也在積極投入電子皮膚的研究。在技術(shù)上，他們采用的工藝流程與海外主流公司基本相似。然而，在技術(shù)成熟度、性能質(zhì)量和創(chuàng)新能力等方面，與國外領(lǐng)先公司相比，仍存在一定差距，但這個(gè)差距正在逐步縮小。

Q:評估觸覺傳感器和電子皮膚的產(chǎn)品差距時(shí)，我們應(yīng)該考慮哪些方面?

A:評估觸覺傳感器時(shí)，應(yīng)考慮其靈敏度、量程、一致性、重復(fù)性、信噪比、線性度、可靠性、使用壽命以及在不同使用環(huán)境下的性能表現(xiàn)等關(guān)鍵指標(biāo)。

Q:您了解國內(nèi)的能思達(dá)公司和國外主要競爭對手在銷售規(guī)模上的情況嗎?

A:具體的銷售規(guī)模數(shù)據(jù)我不清楚，因?yàn)橄衲芩歼_(dá)這樣的公司通常不會公開財(cái)報(bào)信息?？傮w來看，無論在國內(nèi)還是國外，這個(gè)市場相對較小眾，因此銷售規(guī)模不會特別大。國外的頭部公司，如txt和因特利克，采用的產(chǎn)品路線與國內(nèi)公司相似，形成直接的競爭關(guān)系。 ? ?

Q:國內(nèi)外在觸覺傳感器的技術(shù)路線和核心材料上有哪些共同點(diǎn)和差異?

A:當(dāng)前，國內(nèi)外主流的柔性觸覺傳感器均采用壓阻式工作原理，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括壓敏材料(如亞米碳漿)、柔性基底、印刷電極、隔離層和封裝層等組成部分。在核心材料上，壓敏碳漿是區(qū)分不同產(chǎn)品的關(guān)鍵因素，直接影響傳感器的靈敏度、可靠性和各項(xiàng)性能指標(biāo)。各家公司之間的差異主要體現(xiàn)在碳漿的性能上。

Q:在人形機(jī)器人領(lǐng)域的柔性觸覺傳感器方面，國內(nèi)外的主要差距體現(xiàn)在哪些層面?

A:國內(nèi)外的主要差距主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是亞米碳漿層的材質(zhì)質(zhì)量和性能表現(xiàn)；二是傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制程工藝的精細(xì)控制；三是后端算法的解析能力和效率。材料和結(jié)構(gòu)是決定器件性能的關(guān)鍵因素，而算法則直接影響其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

Q:在壓力材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及軟硬件結(jié)合這三個(gè)領(lǐng)域中，像海外的頭部企業(yè)和國內(nèi)的能思達(dá)等公司，他們各自掌握哪些核心技術(shù)?是否存在外購或外包的情況?

A:行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先企業(yè)通常自主掌握這三方面的核心技術(shù)，包括核心材料的配方和制程工藝、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，這些都是技術(shù)壁壘的核心部分，并且通常在公司內(nèi)部進(jìn)行嚴(yán)格控制。算法同樣重要，但在某些特殊情況下，如客戶為互聯(lián)網(wǎng)大廠且希望保護(hù)自己的具體用途或者具備自行處理算法問題的能力時(shí)，可能會選擇外包，但這種情況相對罕見。大部分情況下，傳感器提供的服務(wù)是定制化的，很少有只提供器件而不參與開發(fā)的情況。

Q:關(guān)于壓敏材料的技術(shù)壁壘，具體體現(xiàn)在哪些方面?

A:壓敏材料的技術(shù)壁壘主要在于配方的獨(dú)特性和制程工藝的精細(xì)控制，這些往往是各家公司的核心機(jī)密。在生產(chǎn)過程中，所需的設(shè)備通常是化工類的通用生產(chǎn)設(shè)備，并非特別高端或獨(dú)特。

Q:柔性觸覺傳感器的生產(chǎn)成本是如何構(gòu)成的?是否存在降低成本的可能性? ? ?

A:傳感器的成本與客戶需求的復(fù)雜性、所需功能的數(shù)量和面積大小直接相關(guān)，因此難以進(jìn)行統(tǒng)一的拆分。以一個(gè)具體的例子來說，一個(gè)包含43個(gè)模組和40個(gè)陣列點(diǎn)的傳感器模組，其成本大致由以下部分組成：傳感器材料占40%,生產(chǎn)制造占30%,算法和軟硬件等其他部分占30%。目前由于行業(yè)訂單量較小，多為小批量生產(chǎn)，但如果未來能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，無論是材料成本、制造成本還是軟硬件算法部分的成本，都有可能大幅度下降。

Q:針對人形機(jī)器人專用的柔性觸覺傳感器，其定價(jià)基準(zhǔn)是什么?是否存在標(biāo)準(zhǔn)化的定價(jià)體系?

A:當(dāng)前，柔性觸覺傳感器的定價(jià)并未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而是根據(jù)每個(gè)客戶的具體需求進(jìn)行定制。定價(jià)過程中會考慮機(jī)器人所需實(shí)現(xiàn)的功能、性能要求、精度和復(fù)雜性，以及最終設(shè)計(jì)的元件數(shù)量和布局面積等因素。因此，目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格。

Q:在定價(jià)方面，你們主要考慮哪些因素?一個(gè)配備電子皮膚的基礎(chǔ)機(jī)器人的定價(jià)大概是多少?

A:我們在定價(jià)時(shí)主要考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及所配置的傳感器模組數(shù)量等因素。價(jià)格是根據(jù)機(jī)器人各方面的定制需求來確定的。以前的一個(gè)項(xiàng)目為例，客戶的機(jī)器人搭載了8塊傳感器模組，每塊模組的價(jià)格大約為3000元人民幣，因此僅傳感器成本就接近3萬元人民幣。當(dāng)然，最終的價(jià)格會因其他零部件的成本而有所變化。

Q:如果需要對機(jī)器人全身進(jìn)行傳感器覆蓋，成本會是多少?量產(chǎn)會對成本有何影響?

A:若以這8塊模組全身覆蓋計(jì)算，一個(gè)機(jī)器人所需的傳感器成本約為2.4萬元人民幣。當(dāng)生產(chǎn)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品數(shù)量足夠大，如百萬臺級別時(shí)，傳感器的價(jià)格將會大幅下降。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)能顯著降低材料和生產(chǎn)成本，同時(shí)前期的研發(fā)費(fèi)用可以分?jǐn)偟礁嗟漠a(chǎn)品上。預(yù)期降價(jià)幅度會非常大，理論上價(jià)格可能降至1000元以內(nèi)。

Q:人形機(jī)器人在使用觸覺傳感器的需求和成本估計(jì)是怎樣的?

A:對于人形機(jī)器人，除了手指等需要高靈敏度的部位外，理想情況下，四肢、前胸、后背等外露部位也期望進(jìn)行全面覆蓋以實(shí)現(xiàn)類似人類的觸覺感知。然而，由于不同客戶對功能要求的復(fù)雜度各異，確切的成本估計(jì)較為困難?？傮w來說，目前這種高級觸覺傳感器對機(jī)器人而言成本較高，至少在2.4萬元以上。 ? ?

Q:關(guān)于人形機(jī)器人使用的柔性觸覺傳感器的柔性基底材料，如PI,您如何看待其老化問題和使用壽命?

A:PI和其他高分子材料具有良好的耐候性和抗老化性能，作為電子皮膚，這些高分子材料能夠匹配機(jī)器人的使用壽命。通常，這些傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，易于更換。在正常使用條件下，我們的柔性觸覺傳感器在功能上可承受上百萬次觸覺，并且在未發(fā)生意外損壞的情況下，其壽命不應(yīng)成為問題。

Q:國內(nèi)外有哪些企業(yè)在開展柔性MEMS傳感器的研發(fā)與生產(chǎn)?在技術(shù)層面，將MEMS傳感器應(yīng)用于人形機(jī)器人的靈活手(靈巧手)存在哪些技術(shù)壁壘?

A:在國內(nèi)，深圳帕希尼是一家在機(jī)器人領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂跀?shù)據(jù)傳感器研究的公司；國外如xella公司的產(chǎn)品與特斯拉的相關(guān)產(chǎn)品基本相似。在技術(shù)壁壘方面，MEMS傳感器的難度比傳統(tǒng)的觸覺傳感器更高，因?yàn)樗鼈冃枰獙?shí)現(xiàn)更靈敏和精確的多向力檢測及實(shí)時(shí)反饋。雖然技術(shù)底層原理相同，但要達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平，例如生產(chǎn)3納米芯片所需的技術(shù)成熟度和研發(fā)投入是非常高的。

Q:柔性傳感器是否能用于人形機(jī)器人以實(shí)現(xiàn)與人的互動?

A:確實(shí)，柔性傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)與人的互動?，F(xiàn)有的智能玩具已經(jīng)通過配備電子皮膚與兒童進(jìn)行互動，例如通過觸碰產(chǎn)生反應(yīng)。因此，將柔性傳感器應(yīng)用于人形機(jī)器人中，可以顯著提升其與人類交互的能力。

Q:在生產(chǎn)柔性觸覺傳感器時(shí)，導(dǎo)電銀漿的成本和使用量如何?光伏行業(yè)的銀漿能否用于制造此類傳感器?

A:雖然導(dǎo)電銀漿在傳感器中起到輔助作用，而非核心材料，但由于其用量相對較小，因此即使其材料成本較高，對傳感器總成本的影響也相對有限。理論上，光伏行業(yè)的銀漿可以用于制造柔性傳感器，因?yàn)閮烧叨季哂袑?dǎo)電功能，但可能在純度和其他特定要求上存在差異。 ? ?

Q:人形機(jī)器人的柔性觸覺傳感器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是否會對其靈敏度和量程產(chǎn)生影響?國內(nèi)廠商在這方面與海外廠商是否存在明顯差異?要達(dá)到國外的水平，難度有多大?

A:在柔性觸覺傳感器領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵因素之一，它確實(shí)會影響產(chǎn)品的靈敏度和量程。目前，國內(nèi)外制造商在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可能存在相互借鑒的現(xiàn)象，但主要差異體現(xiàn)在制造工藝和材料選擇上，如亞米碳漿層的涂覆和圖案制作精度等，這些因素決定了傳感器的性能。盡管存在差距，但也可以說各有優(yōu)勢。要縮小這一差距，需要在精度控制和材料選擇上做出努力。

Q:行業(yè)內(nèi)對觸覺傳感器的靈敏度和量程是否有具體的標(biāo)準(zhǔn)?在精度方面如何劃分?

A:行業(yè)內(nèi)尚未制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范靈敏度和量程，不同公司會根據(jù)所使用的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)推出各種規(guī)格的產(chǎn)品。通常，柔性薄膜觸覺傳感器單個(gè)觸覺點(diǎn)的量程可達(dá)到幾十到幾百牛頓，并能檢測從幾克到幾十公斤的力度范圍，這已是行業(yè)普遍的產(chǎn)品水平。至于精度方面，沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，主要取決于信噪比和算法解析能力。

Q:國內(nèi)如優(yōu)必選等企業(yè)在電子皮膚技術(shù)方面的發(fā)展情況如何?他們的解決方案是否已經(jīng)成熟?

A:優(yōu)必選公司的電子皮膚方案應(yīng)用于人形機(jī)器人，對量程、靈敏度和分辨率的要求極高。該方案目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未大規(guī)模發(fā)布。該產(chǎn)品功能豐富，包括實(shí)現(xiàn)跳躍動作、平衡能力和高級人機(jī)交互，屬于非常前沿的技術(shù)。與特斯拉觸覺傳感器相比，兩者實(shí)現(xiàn)的功能不同，不具備可比性。至于具體的規(guī)格和價(jià)值范圍信息，由于產(chǎn)品尚未發(fā)布，目前無法透露。然而可以肯定的是，該產(chǎn)品旨在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，對精度要求更高，且力求提供類似真人皮膚的觸感體驗(yàn)。

Q:對于觸覺傳感器的要求中，陣列密度為1毫米×1毫米，檢測范圍從0.1牛每平方厘米到240牛每平方厘米，這是否是一個(gè)高難度的標(biāo)準(zhǔn)?目前廠商是否有能力達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)? ? ?

A:目前，實(shí)現(xiàn)0.1牛到240牛的寬量程范圍是可能的，但是要精確檢測到0.1牛的微小力值則具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性，因?yàn)檫@需要傳感器具備極高的靈敏度。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，因?yàn)樗瑫r(shí)要求高靈敏度和大承載力，這兩者在技術(shù)上存在矛盾，給設(shè)計(jì)和制造帶來了很大的困難。盡管一些公司能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)點(diǎn)的高密度和高靈敏度，但要在多個(gè)陣列中實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào)就更為復(fù)雜。因此，這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的指標(biāo)。

Q:在材料技術(shù)方面，銀漿、導(dǎo)電碳納米管、碳纖維等是否被用于提升觸覺傳感器的性能?各廠商之間是否存在差異?

A:銀漿主要用作電極材料，而非壓力感應(yīng)層。在觸覺傳感器的敏感層中，常用的導(dǎo)電填料主要包括碳系材料，如碳黑、碳納米管、石墨烯和石墨，這些材料與高分子樹脂結(jié)合形成基體，并包含功能填料以優(yōu)化微結(jié)構(gòu)，從而提高傳感器的靈敏度和量程。雖然碳材料技術(shù)本身沒有明顯的門檻，但配方調(diào)配卻是每家公司的核心技術(shù)或商業(yè)機(jī)密。

Q:請您舉例介紹一下國內(nèi)在柔性觸覺傳感器領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)秀的公司，他們分別處于哪個(gè)發(fā)展階段?有哪些初創(chuàng)公司在技術(shù)和市場表現(xiàn)上較為突出?

A:在國內(nèi)，能思達(dá)是較早進(jìn)入并持續(xù)專注于柔性觸覺傳感器領(lǐng)域的公司之一。其他如深圳的力感科技，其產(chǎn)品與能思達(dá)大致相當(dāng)；東莞的墨線科技和黃埔材料研究院也在該領(lǐng)域表現(xiàn)出色，專攻柔性觸覺傳感器的研發(fā)。其中，墨線科技在技術(shù)實(shí)力、團(tuán)隊(duì)建設(shè)和資源支持等方面表現(xiàn)尤為突出。此外，深圳的一號公司雖然不專門從事柔性觸覺傳感器業(yè)務(wù)，但在觸覺開關(guān)等細(xì)分市場中占據(jù)領(lǐng)先地位。這些公司都值得關(guān)注，整體來看，他們在技術(shù)實(shí)力上較強(qiáng)。

國產(chǎn)柔性傳感器主要廠商&簡介

能斯達(dá)電子：國內(nèi)少數(shù)柔性傳感器產(chǎn)業(yè)化水平較高的企業(yè)

能斯達(dá)電子是我國氣體傳感器龍頭企業(yè)漢威科技旗下控股子公司，專注于柔性微納傳感技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，是國內(nèi)少數(shù)柔性傳感器產(chǎn)業(yè)化水平較高的企業(yè)，方面具有國際領(lǐng)先水平。 ? ?

能斯達(dá)電子獲得小米長江產(chǎn)業(yè)基金、易方新達(dá)創(chuàng)業(yè)投資、共青城國謙成等多個(gè)知名分享資金投資

目前能斯達(dá)電子已建立了穩(wěn)定的納米敏感材料體系，掌握了柔性壓阻、柔性壓電、柔性溫濕度、柔性電容四大核心技術(shù)，確立了柔性壓力傳感器、柔性壓電傳感器、柔性織物、柔性應(yīng)變傳感器、柔性溫濕度傳感器、柔性熱敏傳感器、柔性電容傳感器七大產(chǎn)品系列，擁有百余項(xiàng)核心專利，擁有一條年產(chǎn)1000萬支柔性傳感器的超凈印刷線和組裝線。

鈦深科技：擁有全球最靈敏、最柔性的觸覺傳感技術(shù)

鈦深科技成立于2018年，是一家致力于工業(yè)、消費(fèi)電子、健康、醫(yī)療等各個(gè)行業(yè)高精度和超柔性壓力傳感器方案的傳感器企業(yè)。

鈦深科技開發(fā)并擁有全球最靈敏、最柔性的觸覺傳感技術(shù)-柔性離電式傳感技術(shù)（FITS），能夠提供實(shí)時(shí)的、高質(zhì)量的、低噪聲的觸覺/壓力信號，并擁有全柔性、光學(xué)透明及超薄封裝等物理特性。

三三科技：打破柔性薄膜制備技術(shù)卡脖子局面

三三科技成立于2018年，以柔性薄膜傳感技術(shù)為核心，是智能柔性傳感技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用解決方案提供商。

三三科技擁有核心材料、設(shè)備設(shè)計(jì)等相關(guān)的核心制備工藝技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)，經(jīng)第三方檢測，柔性薄膜產(chǎn)品性能指標(biāo)已達(dá)國際水平。打破了長期以來因薄膜制備技術(shù)被美國、日本、法國等國家掌握而卡脖子的局面，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

力感科技：中國科學(xué)院孵化的柔性傳感創(chuàng)新型企業(yè)

力感科技成立于2016年，是一家中國科學(xué)院孵化的創(chuàng)新型企業(yè)，2017年獲中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究院優(yōu)秀青年創(chuàng)新基金一等獎。 ? ?

力感科技不斷探索力感應(yīng)技術(shù)在多個(gè)應(yīng)用的潛在價(jià)值，比如：智能筆、智能小家電、睡眠監(jiān)測器、壓力分布等智能睡眠設(shè)備，開發(fā)出智能床墊傳感器、硬件開發(fā)模塊等產(chǎn)品，服務(wù)于智慧養(yǎng)老、保健康復(fù)等領(lǐng)域。

慧聞科技：具有較強(qiáng)的柔性傳感器研發(fā)實(shí)力

慧聞科技成立于2014年，是國內(nèi)少數(shù)能夠提供人工嗅覺解決方案的智能傳感器企業(yè)。

慧聞科技目前已研發(fā)出針對多種有毒有害氣體的傳感器芯片及相應(yīng)的檢測模塊，在昆山建成了MEMS氣體傳感器、熱電堆溫度傳感器、柔性壓力傳感器、紅外CO2傳感器模組、激光PM２.５傳感器生產(chǎn)線，目前其它MEMS傳感器也將陸續(xù)量產(chǎn)。慧聞科技的柔性傳感器主要是柔性薄膜壓力傳感器，應(yīng)用于TWS耳機(jī)、手機(jī)、電動牙刷等消費(fèi)電子領(lǐng)域。

此外，慧聞科技與中科院、清華等單位共同承擔(dān)科技部2030“面向新一代人工智能的新型感知器件和芯片技術(shù)”重大科技專項(xiàng)、2021年?duì)款^承擔(dān)了科技部十四五“智能傳感器”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國家重大研發(fā)工程，具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力。

韌和科技：國內(nèi)率先從事彈性電子材料與器件產(chǎn)業(yè)化的公司

韌和科技成立于2018年10月，是中科院寧波材料所孵化的科技型企業(yè)，也是國內(nèi)率先從事彈性電子材料與器件產(chǎn)業(yè)化的公司。主要從事彈性電子材料、器件及其在智能服裝、智能家居、智能體育、智慧微電流技術(shù)應(yīng)用及智能機(jī)器人等領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

韌和科技研發(fā)出了國際先進(jìn)的彈性應(yīng)變傳感器、彈性導(dǎo)線等關(guān)鍵器件，其柔性傳感器主要應(yīng)用在服飾及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，開發(fā)出了智能壓力床墊、智能壓力鞋墊、手套、運(yùn)動褲、呼吸帶等產(chǎn)品，內(nèi)置的柔性傳感器能感知壓力、心率、呼吸等信息。

2022年騰訊RoboticsX實(shí)驗(yàn)室在觸覺傳感器領(lǐng)域的相關(guān)研究

在與清華大學(xué)合作的論文

《Large-ScaleIntegratedFlexibleTactileSensorArrayforSensitiveSmartRoboticTouch》中，研究者將基于PRF的64×64柔性傳感器陣列與基于憶阻器的CIM芯片集成，開發(fā)一個(gè)智能機(jī)器人觸控系統(tǒng)，在硬件中實(shí)現(xiàn)高達(dá)98.8%和97.3%的手寫數(shù)字和漢字識別準(zhǔn)確率。其中PRF是混合多壁碳納米管（MWCNTs）與熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）在低溫下合成的，上表面的自形成微結(jié)構(gòu)靈敏度高、壓力檢測范圍廣、響應(yīng)速度快且循環(huán)性優(yōu)秀。論文被ACSNano收錄。 ? ?

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06432

設(shè)計(jì)思路與技術(shù)細(xì)節(jié)

PRF自形成微結(jié)構(gòu)的表面粗糙度為8~10μm，這一規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于以往工作中的典型可控微結(jié)構(gòu)（如金字塔）。對于壓力傳感器陣列中尺寸為0.9×0.9mm^2的像素而言，PRF表明可被認(rèn)為相對較為平坦的。通過將PRF與4英寸單壁CNTTFT的有源矩陣集成，構(gòu)建了超高空間分辨率的柔性觸覺傳感器陣列，可以進(jìn)一步用于識別仿真蜜蜂的足跡。下圖I-1展示了智能機(jī)器人觸控系統(tǒng)。

圖I-1。

如上文所述，MWCNTs和TPU的復(fù)合材料被用來合成高性能PRF，并通過溶液混合方法分別選擇N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基甲酰胺（DMF）作為MWCNTs和TPU的溶劑，以實(shí)現(xiàn)高濃度MWCNTs（至少14%）并均勻地混合到TPU彈性體中，同時(shí)避免了MWCNTs團(tuán)聚問題。

下圖I-2a展示了PRF的結(jié)構(gòu)，分為兩個(gè)不同的區(qū)域，一是具有粗糙表面形態(tài)的上區(qū)域（即自形成微結(jié)構(gòu)），隨機(jī)排列的MWCNTs被TPU包裹；另一是具有平坦表面形態(tài)的下區(qū)域，其中被均勻分散在TPU中的MWCNTs填充。為了確認(rèn)上表面的自形成微結(jié)構(gòu)，研究者分別檢查了PRF上下表面的形態(tài)和粗糙度，如圖I-2b、c所示。圖I-2d、e分別展示了分散液中原始MWCNTs和PRF中MWCNTs/TPU復(fù)合材料的氦離子束顯微鏡（HIM）圖像。圖I-2f-h進(jìn)一步研究了PRF薄膜的橫截面，其中清晰可見兩個(gè)不同的區(qū)域。 ? ?

圖I-2。

PRF的上區(qū)域主要是TPU包裹的MWCNTs，而下區(qū)域主要是MWCNTs與TPU的聚合物，這種特殊結(jié)構(gòu)可以大大增強(qiáng)壓力傳感性能。為了測量PRF的靈敏度，研究者將它夾在兩個(gè)金屬電極之間，然后測量0~1400kPa范圍內(nèi)不同施加壓力的電流響應(yīng)，其中很多機(jī)器人應(yīng)用（如圖I-3g的機(jī)器狗）需要更大的壓力范圍。圖I-3e展示了1500次循環(huán)的可循環(huán)測試，圖I-3f展示了測試中多個(gè)循環(huán)的放大效果。研究者更是對另一個(gè)PRF樣品進(jìn)行3000次循環(huán)的測試，驗(yàn)證PRF具有很強(qiáng)的耐用性和穩(wěn)健性。圖I-3h中使用PRF壓力傳感器（6%濃度的MWCNTs）進(jìn)行人體脈搏監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，以展示其超高的靈敏度。 ? ?

圖I-3。

研究者開發(fā)的PRF具有出色的壓力傳感特性并成為高性能觸覺傳感器的絕佳選擇。除了常規(guī)正向壓力檢測外，PRF還可以被組裝成一個(gè)陣列，并通過計(jì)算陣列中每個(gè)傳感器上施加的壓力來檢測力的方向。

識別蜜蜂足跡、手寫數(shù)字和漢字分類

機(jī)器人觸控通常需要具有高空間分辨率的大型集成式壓力傳感器陣列，因此研究者將低溫處理后的PRF與單壁CNTTFT制作成64×64有源矩陣集成，以構(gòu)建4英寸的大型集成式壓力傳感器陣列。其中，有源矩陣首先使用涂覆在4英寸硅底片上的PI薄膜上制作。

下圖I-4a-c展示了CNTTFT有源矩陣的示意圖，圖I-4d為晶體管溝道中高密度CNT薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，長8μm、寬100μm，圖I-4e為從底片上剝離后的有源矩陣的示意圖。圖I-4i展示了傳感器陣列上仿真蜜蜂（重量6.7克、足寬約0.55mm）的足跡識別，它的六只腳在壓力傳感器陣列上的位置中被正確識別。圖I-4j放大左后腳，可以看到陣列中八個(gè)傳感器像素被施加了不同的壓力。 ? ?

圖I-4。

除了識別與物體形狀相關(guān)的壓力圖之外，收集的傳感器數(shù)據(jù)還可以幫助識別數(shù)據(jù)表示的模式。通過進(jìn)一步將傳感器陣列與AI硬件集成，并利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行高效數(shù)據(jù)處理，從而在顯著降低功耗和延遲的情況下實(shí)現(xiàn)未來的邊緣或近傳感器計(jì)算。

如下圖I-5a所示，研究者將基于PRF的64×64傳感器陣列與基于憶阻器的CIM芯片集成，構(gòu)建了一個(gè)用于智能機(jī)器人觸控的觸覺硬件系統(tǒng)原型，用于采集和識別手寫數(shù)字或漢字等字符。圖I-5b展示了所采用的一款全系統(tǒng)集成的CIM芯片，采用130nmCMOS工藝制成，圖I-5c展示使用約160k的憶阻器實(shí)現(xiàn)784×100×10的多層感知機(jī)（MLP）。在寫入一個(gè)數(shù)字期間記錄的所有幀被組合生成一幅像素為64×64的圖像，如圖I-5d所示。研究者共收集了3099張手寫數(shù)字圖像，隨機(jī)選擇其中的2598張作為訓(xùn)練集，其余501張作為測試集。結(jié)果顯示，訓(xùn)練與測試的準(zhǔn)確率分別達(dá)到了99.2%和98.8%，與軟件模擬中實(shí)現(xiàn)的數(shù)值相當(dāng)。 ? ?

除手寫數(shù)字之外，研究者使用壓力傳感器陣列以類似的方式收集更復(fù)雜的字符圖案（例如漢字）并進(jìn)行分類識別。他們選取九個(gè)漢字（清華大學(xué)微納電子系），通過在64×64傳感器陣列上書寫收集了900張圖像（每個(gè)漢字100張）的數(shù)據(jù)集。結(jié)果顯示，這些漢字的分類準(zhǔn)確率達(dá)到97.3±1.0%。

圖I-5。

柔性TENG式觸覺傳感器：自供電無線傳感電子貼紙

在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連通萬物的過程中，基于電磁波的無線傳感技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)。如下圖II-1所示，當(dāng)前無線系統(tǒng)包含傳感、信號調(diào)制、無線傳輸以及供能與能量管理四個(gè)模塊，造成剛性和體積龐大的電子元件。雖然可以使用可拉伸柔性電子設(shè)備來解決柔體-剛體接口問題，但大多數(shù)仍由本質(zhì)上剛性的組件或設(shè)備組成，限制了電子皮膚和可植入醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用場景。這些電子元器件的總能耗也較大，因此需要電池或電纜提供電力，給實(shí)施和維護(hù)造成不便，引起可持續(xù)性和環(huán)境問題。 ? ?

圖II-1。

這時(shí)，新興的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）技術(shù)進(jìn)入了視野，它可以通過額外的位移電流項(xiàng)來觸發(fā)無線信號的產(chǎn)生和傳輸。TENG可以同時(shí)高效地捕獲機(jī)械能和運(yùn)動信號，無需額外的電源和傳感模塊。電磁波發(fā)射的功耗通常小于1mW，這可以通過TENG收集的典型動能輕松實(shí)現(xiàn)，使設(shè)備完全自供電。

在與香港中文大學(xué)合作的論文《Aparadigmshiftfullyself-poweredlong-distancewirelesssensingsolutionenabledbydischarge-induceddisplacementcurrent》中，研究者基于TENG觸發(fā)的擊穿放電提出一種范式轉(zhuǎn)換策略，研發(fā)一種自供電無線傳感電子貼紙（SWISE），它可以將上述所有模塊的功能集成在一個(gè)微型單元中，如下圖II-2左所示。為了實(shí)現(xiàn)放電感應(yīng)信號的產(chǎn)生，兩個(gè)具有放電尖端的鏡像對稱金屬電極夾在基底膜和摩擦電荷層膜之間，F(xiàn)EP薄膜和PDMS分別用作摩擦電荷薄膜和基底。該器件的總厚度可降至95μm，兩個(gè)電極之間的間隙距離被控制在10到500μm。論文被ScienceAdvances收錄。 ? ?

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi6751

研究者使用非光刻和光刻方法制作不同的SWISE器件，具備了薄（低至95μm）、?。ǖ椭?mmx9mm）、輕（低至16mg）、柔軟、可變形等特點(diǎn)。與以往各種工作相比，SWISE通過擊穿放電產(chǎn)生了快速變化的極化項(xiàng)，體積尺寸最小，有效傳輸距離最長，如下圖II-2右所示。

SWISE避免了中間步驟的額外功耗，完全由捕獲的信號作為能源實(shí)現(xiàn)自供電，無需任何外部電源輸入。同時(shí)，通過區(qū)分不同設(shè)計(jì)參數(shù)和氣體成分產(chǎn)生的信號來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)運(yùn)動傳感和氣體傳感的能力。得益于多點(diǎn)傳感能力，SWISE的量產(chǎn)可用于自供電無線鍵盤和智能腕帶等應(yīng)用。

圖II-2。

SWISE的原理、系統(tǒng)評估與氣體環(huán)境實(shí)驗(yàn)

SWISE的工作原理是這樣的：在手指輕輕滑動的驅(qū)動下，無需任何外部電源即可通過放電過程將輸入的運(yùn)動信號直接轉(zhuǎn)換為電磁信號，展現(xiàn)完全自供電能力。當(dāng)被觸發(fā)時(shí)，摩擦起電在摩擦電荷層中產(chǎn)生負(fù)電荷。由于靜電感應(yīng)電荷，電極之間產(chǎn)生電場，在尖端周圍具有最高值，如下圖II-3A中的COMSOL模擬結(jié)果所示。同時(shí)強(qiáng)電場產(chǎn)生擊穿放電，幅度和上升時(shí)間由SWISE中的環(huán)境和結(jié)構(gòu)因素決定。擊穿放電產(chǎn)生高頻位移電流，因而感應(yīng)到無線電磁信號。

接著生成的無線信號通過連接到示波器（作為接收器）的遠(yuǎn)程線圈來捕獲和測量。典型信號的時(shí)間響應(yīng)如圖II-3B所示，使用快速傅里葉變換的頻率響應(yīng)如圖II-3C所示，其中信號頻譜分布在數(shù)百兆赫茲，主要在甚高頻（VHF）頻帶，而接收器中的諧振頻率集中在10MHz左右。

SWISE生成信號的特性如圖II-3D所示。為了方便研究各種因素的影響，研究者在一個(gè)獨(dú)立滑動式TENG（FS-TENG）上連接兩個(gè)尖端電極進(jìn)行放電（即擊穿放電器）。FS-TENG由固定在光學(xué)平臺上的線性馬達(dá)驅(qū)動，其滑塊移動距離、速度、加速度可被精確。而當(dāng)通過滑動運(yùn)動部件觸發(fā)FS-TENG時(shí)，產(chǎn)生了電場并實(shí)現(xiàn)擊穿放電。接收器的諧振頻率保持在了10MHz左右。研究者證明了SWISE可以全方向地傳輸無線信號，并且在每個(gè)方向上檢測到的信號強(qiáng)度幾乎相同，如圖II-3E所示。 ? ?

圖II-3。

環(huán)境因素對放電行為產(chǎn)生了很大影響，并可能影響無線信號?；诖耍芯空呦到y(tǒng)研究了氣體類型的影響，實(shí)驗(yàn)平臺如下圖II-4A所示。為了創(chuàng)建一個(gè)純凈的氣體環(huán)境，擊穿放電器被放置在一個(gè)由FS-TENG驅(qū)動的腔室中。研究者測試了下圖II-4C中的4種純凈氣體和6種混合氣體，它們的典型信號波形如圖II-4B所示。過程中，通過重復(fù)擊穿放電收集這10種氣體環(huán)境的數(shù)據(jù)，每種收集100組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)都是電壓-時(shí)間波形，共包含大約2500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 ? ?

在分析過程中，研究者使用深度學(xué)習(xí)方法。通過建立雙向長短期記憶模型，對不同氣體環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以識別氣體。每種氣體環(huán)境的100個(gè)數(shù)據(jù)集隨機(jī)分為兩組，80個(gè)用于訓(xùn)練，20個(gè)用于測試。結(jié)果顯示對每種氣體的識別都獲得很高的識別率，總體識別準(zhǔn)確率達(dá)到98.5%，如圖II-4C所示。在此基礎(chǔ)上，研究者預(yù)測深度學(xué)習(xí)方法可以用來區(qū)分來自腔內(nèi)具有不同氣體成分的多個(gè)SWISE的無線信號，這可能實(shí)現(xiàn)對SWISE傳感陣列的氣體傳感和多點(diǎn)運(yùn)動傳感能力。

圖II-4。 ? ?

無線運(yùn)動傳感、自供電無線柔性鍵盤和智能腕帶

得益于重量輕、靈敏度高、成本低、柔性和可變形等特點(diǎn)，SWISE可以廣泛應(yīng)用于信號傳感和傳輸，無需額外供電。研究者展示了一些自供電無線傳感應(yīng)用。

首先SWISE制備成電子皮膚，用于檢測運(yùn)動并即時(shí)傳輸放電感應(yīng)的電磁波信號，具有傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。如下圖II-5A所示，無線電磁信號可以被遠(yuǎn)距離傳輸超過10m的接收器檢測到，其中SWISE由手指的輕柔運(yùn)動驅(qū)動。圖II-5B為基于SWISE的電子皮膚和智能手環(huán)的整體圖解。SWISE電子皮膚可以服帖的集成在人體不同位置，如手臂、肘部、腿、腳踝和頸部，用以檢測身體運(yùn)動，如圖II-5C所示。

憑借無線傳感技術(shù)的完全自供電能力、最小尺寸和最長有效傳輸距離，柔性、低成本和高可擴(kuò)展性，這項(xiàng)工作將在機(jī)器人、可植入和可穿戴電子設(shè)備、醫(yī)療保健、智能家居、智慧城市、工業(yè)4.0等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。 ? ?

柔性電容式觸覺傳感器：實(shí)現(xiàn)傳感器-軟機(jī)器人無縫集成

機(jī)器人、假肢和其他機(jī)器在配備電子皮膚或柔性壓力傳感器時(shí)能夠獲得感官功能，通過引入新的設(shè)計(jì)（如界面微結(jié)構(gòu)）或者將導(dǎo)電填料摻雜到介電層中，此類器件的性能得到顯著改善。電子皮膚設(shè)備可以對機(jī)械刺激做出響應(yīng)，并使機(jī)器人感知周圍環(huán)境。不過現(xiàn)有電子皮膚面臨一個(gè)長期挑戰(zhàn)，由于器件各層之間的界面不牢固，導(dǎo)致在惡劣和復(fù)雜的機(jī)械條件下穩(wěn)定性較差。

此外，將電子皮膚集成到軟機(jī)器人或其他機(jī)器中會不可避免地引入額外的界面，由此也造成界面粘附性差和機(jī)械失配。因此迫切需要在電子皮膚和傳感器-機(jī)器人的不同層以及器件-機(jī)器人的界面是哪個(gè)構(gòu)建強(qiáng)韌界面。

針對這些挑戰(zhàn)，在與南方科技大學(xué)合作的論文

《Highlystableflexiblepressuresensorswithaquasi-homogeneouscompositionandinterlinkedinterfaces》

中，研究者開發(fā)出一款基于聚二甲基硅氧烷-碳納米管（PDMS-CNTs）準(zhǔn)均質(zhì)復(fù)合材料的柔性壓力傳感器，這種設(shè)計(jì)有效避免了異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)失配。通過在不同功能層之間引入強(qiáng)拓?fù)淅p結(jié)設(shè)計(jì)以產(chǎn)生堅(jiān)韌的界面，實(shí)現(xiàn)傳感器與軟體機(jī)器人的無縫集成。論文被NatureCommunications收錄。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29093-y

解決機(jī)械失配、生成堅(jiān)韌界面

下圖III-1a為傳統(tǒng)多層、多材結(jié)構(gòu)的電子皮膚示意圖，各功能材料層通過簡單的堆疊組裝而成。這類結(jié)構(gòu)的器件服役于含有剪切等復(fù)雜工況時(shí)，層間界面因模量、兼容性失配，導(dǎo)致分層，如圖III-1b所示，出現(xiàn)傳感信號穩(wěn)定性下降甚至失效風(fēng)險(xiǎn)。歸結(jié)原因在于其多層、多材結(jié)構(gòu)的機(jī)械及兼容失配。 ? ?

與傳統(tǒng)多層電子皮膚不同，本研究中的壓力傳感器由功能層材料均采用CNTs/PDMS同質(zhì)材料組成，力學(xué)模量近似，避免了機(jī)械失配問題；同時(shí)在各功能層界面引入拓?fù)浣宦?lián)結(jié)構(gòu)，形成了具有堅(jiān)韌的粘合界面，具體如圖III-1c所示。從上到下依次為平電極層（7wt%CNTs、50μm厚）、平介電層（2wt%CNTs、120μm厚）和微錐電極（7wt%CNTs、約100μm厚）。

為了生成堅(jiān)韌粘合界面，研究者首先將電極和介電層在含有PDMSbase（5.5wt%）和固化劑（0.55wt%）的三氯甲烷溶液中進(jìn)行溶脹（圖III-1e）。接著按順序堆疊溶脹后的功能層，在20kPa的預(yù)壓力下進(jìn)行固化（圖III-1f）。隨著PDMS原位聚合反應(yīng)的發(fā)生，功能層間界面處新形成的PDMS網(wǎng)絡(luò)，并與原有PDMS網(wǎng)絡(luò)的分子鏈發(fā)生拓?fù)淅p結(jié)，實(shí)現(xiàn)了具有強(qiáng)粘合界面層的一體式結(jié)構(gòu)（圖III-1g）。確切地說，在介電層和底部微結(jié)構(gòu)電極之間的界面處，微錐尖端與介電層融為一體，如圖III-1h所示。

圖III-1。

得益于整個(gè)體系的均質(zhì)材料體系，各功能層都表現(xiàn)出了相似的力學(xué)性能。下圖III-2a表明純PDMS、摻雜2wt%和7wt%CNTs的PDMS-CNTs復(fù)合材料的楊氏模量分別為1.2、1.4和3.4MPa。雖然摻雜CNTs使得復(fù)合材料的楊氏模量增加，但微小的差異幾乎不會引起力學(xué)失配。 ? ?

研究者測量了器件結(jié)構(gòu)不同層間界面的韌性和剪切強(qiáng)度。電極和介電層之間的平面界面具有420J·m^-2的界面韌性和90kPa的剪切強(qiáng)度，而微結(jié)構(gòu)界面雖然包含大量的孔隙，界面韌性仍達(dá)到了390J·m^-2，剪切強(qiáng)度為88kPa，如圖III-2b、c所示。如此高的界面韌性要得益于兩種機(jī)制：一是顯著的彈性耗散機(jī)制，二是微塔結(jié)構(gòu)的離散斷裂機(jī)制。

首先，微塔結(jié)構(gòu)-介電層界面的強(qiáng)粘附性和微塔結(jié)構(gòu)的可拉伸性使其具有高的彈性能量耗散。微塔結(jié)構(gòu)可以顯著拉伸到大應(yīng)變（約200%）以耗散能量，如圖III-2d、e所示。其次，遭到離散破裂的微塔結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定局部的界面，避免連續(xù)的裂紋擴(kuò)展。雖然塊狀PDMS柔軟且可拉伸，但一旦形成裂紋，它將快速擴(kuò)展直至斷裂，如圖III-2f所示。圖III-2g為器件結(jié)構(gòu)在扭曲、彎折和拉伸的機(jī)械受力模式下的原位SEM觀察，表現(xiàn)出穩(wěn)定的結(jié)合界面，這進(jìn)一步證實(shí)了微結(jié)構(gòu)界面的韌性和穩(wěn)定性。 ? ?

圖III-2。

下圖III-3a展示了傳感器（面積為10mm×10mm）在不同壓力下的電容響應(yīng)。當(dāng)壓力低于47kPa時(shí)，靈敏度為0.15kPa^?1；當(dāng)壓力在47和214kPa之間時(shí)，靈敏度下降至0.08kPa^?1；壓力在214到450kPa之間又下降到0.04kPa^?1。由于響應(yīng)和松弛速度會受到材料粘彈性和表面結(jié)構(gòu)的影響，研究者通過施加、保持和移除1.1kPa的壓力來測試傳感器（面積為7mm×7mm）的響應(yīng)和松弛時(shí)間，兩者均為6ms，如圖III-3b所示。

PDMS-CNTs電極（7wt%CNTs）也可用作應(yīng)變傳感器，并在0-60%的應(yīng)變范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了2.5的恒定應(yīng)變系數(shù)，如圖III-3c所示。圖III-3d表明摻雜CNT（2wt%）顯著增加了介電層的相對介電常數(shù)，并使它高度依賴于壓力。隨著壓力從0增加到460kPa，該常數(shù)從19.8增加到114。表明電容增大一部分是由介電層電學(xué)性能變化貢獻(xiàn)的。 ? ?

為了進(jìn)一步闡明壓力傳感機(jī)制，研究者通過微結(jié)構(gòu)界面的變形仿真，并使用圖III-3e展示的簡化電路模型計(jì)算了單個(gè)單元的電容。結(jié)果顯示，電容變化是微塔結(jié)構(gòu)和摻雜CNT介電層電學(xué)性能變化的協(xié)同效應(yīng)，其中高壓區(qū)（壓力>200kPa）的響應(yīng)主要來自局部微觀結(jié)構(gòu)變形，而低壓響應(yīng)主要來自摻雜CNT導(dǎo)致的介電常數(shù)變化。

圖III-3。

該傳感器在循環(huán)加卸載下表現(xiàn)出了高穩(wěn)定性。研究者分別測試了傳感器（面積為10mm×20mm）在摩擦和剪切條件下的信號穩(wěn)定性。圖III-3g、h表明，當(dāng)傳感器在10kPa的常壓和2mm的往復(fù)位移下，用砂紙摩擦100000次循環(huán)時(shí)，信號波形或幅度沒有明顯變化。同時(shí)通過施加5kPa的重復(fù)剪切應(yīng)力10000個(gè)循環(huán)來測試信號穩(wěn)定性，同樣沒有觀察到信號幅度或機(jī)械故障的明顯變化，如圖III-3i所示。 ? ?

極端工況下傳感信號穩(wěn)定性展示

研究者將器件貼附于一輛轎車的輪胎表面（面積10mm×40mm），如下圖III-4a所示，通過高速行駛時(shí)輪胎與地面產(chǎn)生的動態(tài)交變的壓力（約300kPa）、剪切力（約6kPa），如圖III-4b，c所示，模擬復(fù)雜的極端受力工況。同時(shí)對比商用壓力傳感器在汽車行駛過程中的信號穩(wěn)定性。如圖III-4d所示，當(dāng)汽車以22km·h^-1的平均速度行駛時(shí)，電容信號在至少2.6km（或1102轉(zhuǎn)）范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。信號的高穩(wěn)定性與圖III-4e中傳感器的微結(jié)構(gòu)一致，這表明測試后微塔在界面處保持良好的粘合而沒有破裂。相比之下，商用的傳感器在如此復(fù)雜機(jī)械條件下的「生存」面臨巨大的挑戰(zhàn)，經(jīng)過0.5km后傳感功能失效，這進(jìn)一步證明，具有粘合界面、力學(xué)適配設(shè)計(jì)的新型傳感器件能夠在類似的極端復(fù)雜工況下長期穩(wěn)定服役。 ? ?

圖III-4。

下一代軟體機(jī)器人的一大需求是與電子皮膚融合以獲得感知功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與人類或環(huán)境交互功能。上文也提到，傳感器與機(jī)器人的集成存在界面兼容性差的問題。因此，將傳感器矩陣嵌入機(jī)器人中等類似設(shè)計(jì)將有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)融合。研究者的層間界面的拓?fù)淅p結(jié)設(shè)計(jì)對解決這一問題表現(xiàn)出極高潛力。

下圖III-5a展示了一個(gè)軟夾具，研究者在其表面集成了八個(gè)傳感器。圖III-5b中展示了夾持器矩陣與傳感器的底部電極粘接界面形貌，可以看機(jī)器人-傳感器層間界面實(shí)現(xiàn)了很好的融合。圖III-5c-g展示了抓取網(wǎng)紋甜瓜（重量1250g）和毛絨娃娃（重量180g）時(shí)的壓力分布圖。

研究者還對電容信號的穩(wěn)定性進(jìn)行了進(jìn)一步測試。如圖III-5g所示，他們用軟夾具抓起桌子上的甜瓜并將其提升10cm，在此高度保持約1秒，然后放回桌子并松開。重復(fù)該過程1000次之后沒有觀察到明顯的信號變化，而對照傳感器由于沒有拓?fù)淅p結(jié)提供的強(qiáng)韌界面，它用于粘附微塔結(jié)構(gòu)和介電層的薄PDMS在第137次循環(huán)時(shí)便出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，傳感性能失效。 ? ?

最后，研究者展示了軟夾具在抓取-提起-緊握-釋放娃娃的動態(tài)過程中的電容和電阻響應(yīng)。在初始狀態(tài)下，軟夾具完全打開以抓取大件物品，并對傳感器施加了拉伸應(yīng)變。在接觸和抓握娃娃時(shí)，電容急劇增加，電阻也會隨夾具表面應(yīng)變的減小而降低。然后將娃娃提起并保持約2秒，并在釋放時(shí)落下（圖III-5j）。這表明該傳感器件能夠?qū)崿F(xiàn)雙模態(tài)傳感模式，從而可以應(yīng)用于需要精準(zhǔn)反饋應(yīng)變和應(yīng)力的服役場景。 ? ?

圖III-5。

綜上所述，研究者提出“同質(zhì)”設(shè)計(jì)思路，在單一材料體系內(nèi)通過電學(xué)調(diào)控，獲得力學(xué)適配、界面兼容的材料體系。輔助以高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，在不同功能層的界面之間，通過小分子擴(kuò)散，引入原位聚合的交聯(lián)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)粘結(jié)層，制備的一體式粘合封裝柔性壓力傳感器，在如汽車碾壓極端工況下（~300kPa壓應(yīng)力和~6kPa剪切應(yīng)力耦合作用），仍能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定傳感功能。該電容式傳感器由準(zhǔn)均質(zhì)材料組成，即聚二甲基硅氧烷-碳納米管（PDMS-CNT）材料體系，不同功能層之間引入的PDMS交聯(lián)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得界面韌性可達(dá)~400J·m^-2，以及~90kPa的剪切強(qiáng)度。導(dǎo)電、介電功能層間形成了堅(jiān)固而牢靠的融合界面，實(shí)現(xiàn)了多材料、多結(jié)構(gòu)界面的共融構(gòu)筑?！巴|(zhì)”設(shè)計(jì)可從根本上解決不同材料體系導(dǎo)致的界面兼容性差和力學(xué)失配問題，達(dá)到材料-材料的共融設(shè)計(jì)，該策略對后續(xù)電子皮膚在智能制造、健康監(jiān)測等領(lǐng)域中復(fù)雜受力模式下的可靠穩(wěn)定傳感功能的構(gòu)筑提供了新方法。 ? ?

審核編輯：黃飛

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