【财通证券】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.pdf

2024-02-06

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

(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。

(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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。QY Research 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。

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生产工艺、深厚的研发积淀及全球化营销网络，在市场份额上占据显著优势地位。截至 2021 年，全球触觉传感器市场的主导企业包括但不限于Tekscan、Pressure Profile Systems以及Sensor Products Inc.等，这三家头部企业的市场份额合计约为 65%。我国柔性传感器市场规模快速增长，并受益相关政策指引。随着国内制造业的升级和智能化需求的增加，柔性传感器在各个领域的应用将不断增加。中国政府一直重视新材料、新能源、新技术等领域的发展，并出台了一系列支持政策。政府的政策支持将进一步推动中国柔性传感器行业的发展与壮大。根据智研咨询显示，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，其中，市场主要分布在华北、中南、华东地区，占比分别为 19.84%、 34.66%、27.79%。

柔性传感器在消费电子领域需求持续增长，人形机器人等新兴领域应用进一步推动市场扩容。中国作为全球最大的电子消费品市场之一，柔性传感器在智能手机、可穿戴设备、智能家居等消费电子产品中的应用持续增长，并将在新兴领域得到进一步发展。例如，中国工业自动化、机器人技术的快速发展将推动柔性传感器在工业应用中的应用增长。根据智研咨询数据显示，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%。

国内厂商多处于早期布局阶段，面临技术和市场的双重挑战。国内企业中，能斯达、帕西尼传感、力感科技等诸多公司均有柔性传感器生产布局，但均处于早期，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加速国产品牌技术进阶，国内厂商逐步跟进传感器产业发展趋势。

2.2 人形机器人为柔性触觉传感器带来新的增量空间

特斯拉 Optimus 已具备夹持鸡蛋/折叠 T 恤等能力，手部精细化程度显著提升。 2023 年 12 月 13 日，特斯拉通过 X 平台发布 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 16 日，特斯拉再度更新 Optimus 最新进展，机器人已具备从衣服盒中取出 T 恤、在桌上平铺衣物、连续折叠衣物等一系列精细化动作，手指指尖的精细化操作能力再度提升。

2030 年全球人形机器人行业市场规模有望超过 200 亿美元，为柔性触觉传感器带来新的增量空间。根据 GGII 预测，到 2026 年全球人形机器人在服务机器人中的渗透率预计将达到 3.5%，市场规模超过 20 亿美元。预计到 2030 年，全球市场规模有望超过 200 亿美元。参考中国服务机器人市场约占全球市场 25%的数据，预计到 2030 年，中国人形机器人市场规模将达到 50 亿美元。触觉传感器技术的进步在机器人领域催生了更灵活、智能的机械手，为特定任务的执行提供了新的可能性。触觉传感器有望成为更多智能系统的重要组成部分，为人机交互提供更为自然和智能的体验，多维度的触觉传感系统或将成为人形机器人的“第二感官”。

除手指部位外，人形机器人的其他触碰外界物体的部分均有应用潜力。手之所以作为最前端的交互，是因为在日常生活中，指尖是机器人与外界进行交互过程中对精细化操作频率的要求最高的部位。除了手指尖部位，机器人的脚尖、肩膀、膝盖、臀部、后背等能触碰到外界物体的部位均有可能用到电子皮肤。它的功能不是进行轮廓的识别，或布置密集的点位，而是感知周围的碰撞情况，进行危险情形的规避；或者像足部，柔性传感器主要是起到重心监测的作用，例如足部在与环境接触时监测是否会打滑。

3 海外及国内柔性触觉传感器公司介绍

3.1 海外领先企业介绍

(1) Novasentis

Novasentis 是世界上最薄的触觉执行器和传感器技术的创造者，旨在为电子世界开创一个新感官时代，使人们能够通过他们的设备与世界建立更深层次的身体和情感联系。公司专注于超薄、轻便和灵活的薄膜触觉执行器，用于 AR/VR、智能手表、腕带、智能服装等应用。Novasentis 的 EMP 技术可以扩展生命的感官互动，是同类产品中最先进和最具创新性的平台技术。通过小型化和创新的材料动力学，扩展和重新定义人机交互的边界。为了满足对更轻/更薄/更小/更灵活的设备日益增长的需求，EMP 执行器将使设备栩栩如生。

(2) JDI

JDI 专注于液晶显示技术，由索尼、东芝和日立等公司的液晶显示业务部门合并而成。JDI 开发了采用 LTPS (低温多晶硅) 背板技术和智能手机触摸屏技术的透明指纹传感器，以及可实现高速读出和高分辨率成像的薄型图像传感器。公司开发的薄型图像传感器产品可以将 LTPS 薄膜晶体管与高迁移率和高灵敏度的有机光电元件集成在一起，创建单个传感器，不仅能够测量需要高速读出的脉冲波分布，还可以测量需要高分辨率成像的指纹和静脉等生物特征信息。

(3) Tekscan

Tekscan 是薄膜界面压力映射和力传感技术的领导者，已经开发了广泛的传感器产品组合，可以测量几乎任何两个接合表面之间的力或界面压力，以满足力和压力测量方面几乎无限的需求和应用。公司主要产品包括传感器，如力传感器/位置传感器/牙科传感器/压力指示膜等，还为工业或生物力学应用提供压力测绘传感器，用于行业领先的压力测绘系统。除产品之外，公司的触觉力和压力传感专利解决方案为客户提供优化产品设计和改善临床和研究成果所需的可操作信息，广泛用于测试和测量，医疗，牙科和零售等领域。

3.2 国内领先企业介绍

(1) 汉威科技

汉威科技以传感器为核心，形成了“传感器+监测终端+数据采集+空间信息技术+ 云应用+AI”的系统解决方案，业务应用覆盖传感器、物联网综合解决方案、公用事业及居家智能与健康等行业领域。公司子公司苏州能斯达专注于柔性微纳传感技术的研发和产业化，打造拥有自主知识产权的高性能柔性微纳传感器、完整应用解决方案、个性化定制、万级超净柔性批量生产线等“柔性+”电子产业生态圈。苏州能斯达与中科院具有密切的产学研合作关系，开展纳米新材料、新工艺、高精密、大阵列、超柔性等前沿技术研发，建立了稳定的纳米敏感材料体系，且拥有一条年产 1000 万支柔性传感器的超净印刷线和组装线。公司目前已解决柔性微纳传感器灵敏度低、稳定性差和规模化制造难等关键技术难题，在消费电子、健康医疗、IOT 等战略新兴产业均有相关应用落地，在柔性传感器产业化方面具有国际领先水平。

(2) 苏试试验

苏试试验是一家国内领先、国际知名的环境与可靠性试验设备和试验服务及解决方案提供商，是我国环境与可靠性试验领域的领导者之一。公司研发的基于石墨烯的柔性应力振动传感器，可用于航空航天、机械设备、道路、桥梁等的振动监测，并可作为电子皮肤应用于机器人、可穿戴智能健康设备、智能假肢等领域。

(3) 弘信电子

弘信电子专注于 FPC 产业，是国内技术领先、实力雄厚、产量产值居前、综合实力流水平的 FPC 制造企业，拥有国内最先进的 FPC 生产线之一。公司控股的柔性电子研究院与科研院所、高校及产业上游厂商联合研发核心材料、核心器件、高端设备等，致力于攻克转化一批产业前沿和共性关键技术，实现基础研究、应用研究、成果转化有机的衔接，已有一定的柔性电子皮肤相关的技术积累。公司控股子公司瑞湖科技在柔性压力传感器、压力感应按键、应变薄膜等领域已形成深厚积累，瑞湖科技的产品已大量应用到消费电子以及智能家居领域。根据瑞湖科技已进行的实验，公司压力传感器具备应用于机器人手部及皮肤等领域的潜力。

(4) 奥迪威

奥迪威是一家专业从事智能传感器和执行器及相关应用的研究、设计、生产和销售的厂商，掌握换能芯片制备、产品结构设计、智能算法和精密加工等技术，致力于成为物联网感知层和执行层核心部件及其解决方案的主要提供方。公司主要产品包括测距传感器、流量传感器、压触传感器及执行器、雾化换能器及模组、报警发声器等，广泛应用于汽车电子、智能仪表、智能家居、安防和消费电子等领域。

(5) 帕西尼感知科技

帕西尼感知科技致力于突破机器人多维触觉的底层核心技术，开发如同人类皮肤性能的超灵敏触觉传感器，研发搭载全场景触觉技术的人形机器人产品。帕西尼感知的核心优势在于自主研发的多维度大阵列触觉传感器，它能够实现多点触碰，模拟人体精细的触感，大幅提升机器人对外部世界的感知和交互能力。

目前，帕西尼感知已在多维度触觉传感器基础上，衍生出多条产品线。包括 PXR 机器人力矩关节模组、PX-6AX 传感器、PX-3A 消费级传感器、DexH5 触觉灵巧手、Tora 人形机器人等，这些产品构建起帕西尼感知完整的机器人解决方案体系。在多项性能指标上，帕西尼感知的触觉传感器也处于领先水平：其自主研发的 PX 触觉传感模块灵敏度为同类产品的 10 倍，采样速度最快可达 1500Hz，触摸寿命超过 20 万次，可大面积部署并实时反馈触觉信息。

(6) 力感科技

力感科技是国内最早研发柔性压力传感器的系统方案解决商，与中国科学院深圳先进技术研究院战略合作，提供传感器、模组、集成传感器的数据采集、算法和数据可视化解决方案。公司在自主开发 Senlline 技术的基础上，成功研制并批量生产薄膜压力传感器，产品服务于智慧养老、运动&体育、汽车、医疗设备、智能硬件和保健康复等领域。

(7) 墨现科技

墨现科技专注于触觉传感器领域，为各种应用场景提供高适应性和柔性压力传感器解决方案。公司核心成员来自大疆创新，深度参与大疆多个产品项目。经过数年的艰难攻关，团队实现了功能性与可靠性完全解耦的逾渗式压力传感器量产方案，全新推出的 FLX 系列柔性薄膜压力传感器，能够同时满足高可靠性、低触发力度、大量程、低成本的需求。依托在消费电子领域的多年项目积累，公司团队通过原理创新、工艺改进、技术突破的方式让触觉类传感器融入更多的 C 端生活场景，为智能家居、医疗健康、物联网 IOT 等消费级电子产品带来全新体验。

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