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

本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告1相关研究1.美国逐步进入补库阶段，我国机电类产品化加速-2024/01/22洁、安全、高效能源新解-2024/01/08解，机器人或打开新场景-2024/01/02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行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告21电子皮肤技术概述 31.1电子皮肤技术概述及关键特性 31.2电子皮肤主要组成结构 41.3电子皮肤的工作原理 61.4电子皮肤相关专利 82电子皮肤技术难点 103电子皮肤传感器单元：柔性传感器 113.1柔性传感器：以触觉为例 113.2柔性传感器结构及材料 123.3柔性传感器的分类 143.4柔性传感器的制作技术 174相关公司和市场规模 194.1柔性市场规模 194.2国内电子皮肤市场 204.3核心材料相关公司 235电子皮肤与MEMS压力传感器对比 245.1案例研究 245.2柔性传感器与MEMS传感器的比较 276风险提示 29插图目录 30表格目录 30行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告31电子皮肤技术概述电子皮肤（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。行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告4图2：多种极端条件下自主愈合的电子皮肤材料电子皮肤（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材料/技术功能/特点基底层传感器层检测压力、温度、湿度、化学物质等，实现高灵敏度和微型电子电路和处理器能源供应接口和通信系统使电子皮肤可以与外部设备（如智能手机、计算机）进保护电子组件免受物理损伤、化学腐蚀和水分侵入，同持传感器对外部环境的敏感性。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。行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告5图3：不同结构的电子皮肤结构图“Multi-parametere-skinbasedonbiomimeticmechanoreceptorsandstressfieldsensing”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（BiomimeticMechanoreceptors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分层结构的分解图本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告6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100um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35ms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150um）和岛桥结构（1.5×1.5mmisland，间距为5mm）。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）信号处理本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告7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：特斯拉产品示例图本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告8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5N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。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：行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告9表2:苏州能斯达公司电子皮肤代表专利 类型专利名称功能/特点相关图片外观设计/式传感器三个独立的拼接或贴附在一起的缺传感器技术性能提升柔性压力传感器自动检测标定装置标定装置。复合柔性微纳传感器柔性压电薄膜制备方法材料制备福莱新材（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行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告10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绘制基底准备阶段涉及到材料的选择，电子皮肤设计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。以下是电子皮肤材料的具体难点：首先，电子皮肤的可拉伸性能主要通过应变工程技术将不可拉伸的无机材料（如：金属）附在弹性衬底上，金属得以扩展。然而，这种技术制造方法复杂昂贵，并且能实现的拉伸性难以达到电子皮肤高拉伸性的要求。目前最常见的方法是在绝缘弹性基底中嵌入导电填料以形成导电复合材料，但在行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明稳定性和小型化方面依然存在不足。图12：导电复合材料制备过程和表征其次，提高电子皮肤材料在持续变形下的耐久性也是一大难点。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。封装也是电子皮肤制作过程的难点，其作用之一是保护电子元件免受物理和化学侵蚀，同时保持柔韧性和可伸缩性。不同的内部功能材料对化学物质、温度等因素的敏感性不同。因此，根据内部功能材料选择封装材料至关3电子皮肤传感器单元：柔性传感器电子皮肤的触觉传感器是一种模仿人类皮肤触觉功能的高科技产品，它们能够感知和响应多种物理刺激。这些传感器的开发是为了增强机器人技术、假肢、可穿戴设备和其他智能设备的功能和互动性。在电子皮肤中，柔性传感器的应用尤为关键。它们提供了必要的机械适应性，使电子皮肤能够模拟真实皮肤的柔软性和伸缩性。这种模拟不仅在触觉反馈上更加逼真，而且大大增强了电子皮肤的舒适度和实用性，使其在医疗、机器人技术、可穿戴设备等领域的应用更加广泛柔性传感器是触觉传感器的一个子集，是一类特殊的传感器，在电子皮肤的应用中扮演着至关重要的角色，其显著特点和重要性体现在以下几个方面：行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告121）高度适应性：高度适应性是柔性传感器的一个核心特点。这些传感器因其能够贴合各种形状的表面而被广泛应用，尤其是在模拟人体皮肤的应用中表现突出。这种适应性使柔性传感器能够在弯曲或伸展的状态下仍然保持其功能性，从而在各种复杂环境中发挥作用。这一特性的实现，主要依赖于精心的设计和材料选择。2）材料选择：在材料选择上，柔性传感器通常采用聚合物、薄膜、纳米材料和柔性电子元件等材料。这些材料的选择关键在于它们能够在保持电气性能的同时进行弯曲和伸展，从而实现传感器的柔性和功能性。这样的材料组合不仅提高了传感器的灵活性，还确保了其在各种应用中的高效性和可3）结构设计：在结构设计方面，为了进一步增强柔韧性和轻便性，柔性传感器通常采用薄膜、织物或其他轻薄柔软的结构。这种结构设计使得传感器不仅轻便，而且能够提供足够的弹性和柔软性，从而使其能够轻松贴合于不规则的表面，如人体皮肤。柔性传感器是近年来电子技术领域的一项重要创新，并且柔性传感器对于电子皮肤的成功实现至关重要。没有它们，电子皮肤将无法有效地模拟真实皮肤的物理特性，限制了其在实际应用中的适用性和舒适度。随着技术的发展，柔性传感器的重要性只会增加，特别是在追求更加高级和逼真的电子皮肤系统时。柔性传感器的结构通常包含多层：从底部开始，第一层是传感器的基底，使用的材料包括聚酰亚胺（PI）、聚酯（PET）、聚醚醚酮（PEEK）、纸张和可弯曲的玻璃等。第二层是介电层，使用了氧化铝（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）、聚乙烯醇（PVA）和聚偏二氟乙烯-四氟乙烯（PVDF-TFE）等材料。第三层是传感器的接触点，包括了金属薄膜、氧化铟锡（ITO）、石墨烯、氮化镓铟（EGaIn）和纳米银线（AgNWs）等材料，最顶层是传感区。如下图所示：行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告13图13：导电复合材料制备过程和表征柔性传感器的基底材料是构建电子皮肤的基础。它们不仅需要具备足够的柔韧性以适应不同的弯曲和伸展，还必须保持耐用性，以承受反复的机械应力。此外，基底材料应具有良好的生物相容性和导电性，以便无缝地集成到电子皮肤的电路中。随着材料科学和微加工技术的发展，柔性传感器的结构和材料选择日益多样化。新材料如石墨烯和导电高分子正在被研究以提高灵敏度和信号传输效率。同时，为了实现更好的模拟人类皮肤的触觉反馈，研究人员也在致力于将温度和湿度传感功能集成到电子皮肤中。传统的基底材料如硅胶和聚酰亚胺已经被广泛研究和使用，因其优异的机械特性和化学稳定性。硅胶提供了优良的柔韧性和伸缩性，而聚酰亚胺则以其高温稳定性和电绝缘性著称。除了这些传统材料，最新研究还在探索使用生物降解材料，如聚乳酸和聚己内酯，以提高环境可持续性并减少电子废物。图14：导电复合材料制备过程和表征以下是关于基底材料的详细表格：行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告14表3:柔性传感器的基材料详细表格 材料类别材料名称物理特性电子聚合物基材聚乙烯氯化物(PVC)良好的物理稳定性，易加工聚吡咯(PPy)导电性好用于增强传感器的电导性苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯(SEPS)高弹性和耐热性提供良好的弹性和舒适感，适应皮肤伸缩聚偏二氟乙烯(PVDF)高耐热性，良好的电气特性适用于高温环境硅橡胶优异的柔韧性和耐热性贴合皮肤，提供舒适感和耐温性聚酯家族 随着材料科学和微加工技术的发展，柔性传感器的结构和材料选择日益多样化。新材料如石墨烯和导电高分子正在被研究以提高灵敏度和信号传输效率。同时，为了实现更好的模拟人类皮肤的触觉反馈，研究人员也在致力于将温度和湿度传感功能集成到电子皮肤中。柔性传感器在电子皮肤（E-skin）中的应用是一个先进且迅速发展的领域。电子皮肤是一种模仿人类皮肤功能的电子设备，其目的是为了提高机器人的触觉感知和人体的医疗监测能力。柔性传感器在此中扮演着关键角色，其分类和应用如下：柔性压力传感器按照传感原理主要分为：电容型,电阻型,压电型,摩擦电型,这些传感器通常由两层柔性电极和中间的功能软材料构成.以下对这几种传感原理做详细介绍。图15：不同形式的压力传感器传感原理示意图行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告151）柔性传感器的分类表4:柔性传感器的分类 传感器类型工作原理优势局限通过材料在受到压力、拉伸或弯曲时电阻值的变化来检测力灵敏度和稳定性可能较触觉反馈、压力映射、形状变化检测。通过测量两导电层之间的电容通过测量两导电层之间的电容变化来感测压力、弯曲或其他形态变化。细微压力变化检测、触觉成压电传感器利用材料的压电特性进行感振动和冲击力监测、动态压材料选择和耐久性是挑材料选择和耐久性是挑通过两种不同材料的接触和分触觉反馈、能量收集、运动摩擦电型传感器在电子皮肤的发展中，不同类型的柔性传感器如电阻式、电容式、压电式和摩擦电型传感器各具特点，适用于不同的应用场景。电阻式传感器以其简单的结构和低成本著称，非常适合于基础的压力映射和触觉反馈系统，但它们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。相比之下，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，如细微的纹理和形状识别，但这种传感器的成本相对较高，且可能受到电磁干扰。而柔性压阻式压力传感器因其出色的柔韧性、可伸展性以及高导电性，正在展现巨大的潜力。这些导电聚合物如PEDOT:PSS、聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）等，其导电性主要来源于离子和电子传导结合的特性，使得它们在制造柔性压阻式压力传感器时特别有吸引力。由于这种传导方式能够降低材料的阻抗，这些材料在同时响应温度和压力刺激方面表现出了高度的灵敏度和优异的性能，且可以微调以实现双参数传感而不互相干扰。2）柔性压阻传感器在电子皮肤中触觉系统的实际应用：在HaotianChen及其团队的研究项目中，他们开发了一种新型的电子皮肤（E-skin这种皮肤的设计灵感来源于人类指尖的复杂结构。这项研究成果发表在《NanoEnergy》杂志上，题为《Fingertip-inspiredelectronicskinbasedontriboelectricslidingsensingandporouspiezoresistivepressuredetection》。这种电子皮肤独特地结合了两种感测机制：摩擦电效应和压阻效应，能够同时检测横向滑动和垂直压力。电子皮肤由三层结构组成，每层都模仿了人类手指的不同部分。顶层是双螺旋碳纳米管-聚二甲基硅氧烷（CNT-PDMS）电极，模仿人类的指纹，用于检测滑动运动。这一层利用摩擦电效应生成交流电压，电压的频率和峰值数量可以反行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告16映被触摸表面的粗糙度。这种机制类似于人类皮肤的快速适应（FastAdapting,FA）功能，能够对快速变化的触觉刺激作出反应。图16：基本结构示意图电子皮肤的底层由多孔CNT-PDMS构成，这一层模仿人类的真皮层，主要用于压力感测。它采用的是压阻效应，即在压力作用下材料的电阻发生变化。这一层的设计模仿了人类皮肤的慢速适应（SlowAdapting,SA）机制，适用于持续压力的检测。通过控制CNT的含量和CNT-PDMS的多孔性，可以调节传感器的灵敏度，以适应不同的应用需求。为了防止这两种感测机制相互干扰，研究团队在两个功能层之间加入了一层纯PDMS，起到隔离的作用，同时模拟人类皮肤的表皮结构。图17：TENG的工作原理如图行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告17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。除了下面提到的印刷技术外，还有一些其他技术可归类为接触式和非接触式印刷技术。所有这些技术的优点包括制造成本低、生产速度快。以下是详细介绍的几种主要的柔性传感器制作技术：1）丝网印刷丝网印刷是一种古老的技术，以其在不同类型基材上的易定制性、操作简便、高质量印刷、图案的高耐用性和墨水的高动态性而著称。例如，利用这种技术在纸基上印刷石墨烯纳米片，制作用于低成本射频识别和感应应用的偶极天线。这些设备小巧、结构简单，具有较高的电导率。另一项研究使用丝网印刷技术在PET基材上印刷银墨水，制作应变传感器，这些传感器对于分析动态特性表现出卓越的应变感应结果和高稳定性。图18：银墨/PET基应变传感器丝网印刷工艺示意图图19：PET基板上MWCNT/PDMS印刷压阻结构示意图本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告182）喷墨打印喷墨打印是另一种广泛用于开发高效柔性传感器的印刷过程。其优势包括低制造成本、易于定制、无需专业知识、无需预热时间以及高质量的印刷图案。例如，利用喷墨打印技术在Kapton薄膜上制造基于石墨烯的场效应晶体管（FET）生物传感器。这些传感器在不同浓度的生物制剂中呈现出线图20：基于PEDOT：PSS/FeCl3的氨气传感器的制造工艺示意图图21：基于石墨烯的FET生物传感器的制造过程图解3）激光剥离激光剥离或激光诱导是发展柔性传感器的第三种流行技术，包括使用不同类型的激光处理前驱聚合物材料。这些激光的类型根据传感应用所需电极的特性而变化。例如，利用激光剥离技术从商用聚酰亚胺薄膜制造LIG基盐度传感器，用于检测不同天然水体中的盐分浓度。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告19图22：使用激光烧蚀技术制备可拉伸碳纳米复合材料的过程4）3D打印3D打印是一种新兴的制造技术，以其高定制性、最小化电子废物、易于访问和轻质部件等独特优势而受到关注。3D打印技术还用于开发用于软体机器人的高度各向异性和柔性传感器，显示出对于开发高度可定制和多功能的3D打印传感器系统的巨大潜力。图23：RAT传感器的逐步制造过程示意图4相关公司和市场规模全球柔性电子市场按组件划分可分为柔性显示器、柔性电池、柔性传感器、柔性存储器和柔性光伏。行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告20对电子皮肤作为替代皮肤的需求不断增长，加上3D打印和人工智能，引起了人们对健康监测、药物输送和治疗用途领域的兴趣，市场参与者增加对研究和开发的投资，预计将支持2021年至2030年市场收入增长。但复杂的设计、材料退化和高制造成本的电子皮肤是预计在预测期内阻碍电子皮肤市场增长的关键因2019年全球柔性电子市场价值为236.4亿美元，预计到2027年将达到424.8亿美元，从2020年到2027年的复合年增长率为7.4%。新型冠状病毒疫情的出现对柔性电子产品市场的医疗保健领域产生了积极影响。受人们对智能产品需求增加的影响，柔性传感器在消费电子领域所占份额增长，全球行业市场规模呈现逐年上涨态势。据智研咨询数据，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。图24：全球柔性传感器行业市场规模据中国传动网信息，目前国内大概有超过4000家企业拥有柔性传感器的产品和专利技术。虽然落地产品多，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。柔性传感器产业链下游应用主要为医药领域及消费电子，两者占据了绝大数的市场份额，据智研咨询数据显示，2022年中国柔性传感器产业链下游占比中，医药领域占比为40.05%，消费电子领域占比为36.22%，其他应用领域占比为23.73%。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告21图25：柔性传感器产业链下游应用领域分布占比情况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，市场主要分布在中南（34.66%）、华东地区（27.79%）、华北（19.84%）。中国柔性传感器市场需求巨大，2022年中国柔性传感器需求量为4923.1万个，产量为1634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%。图26：中国柔性传感器行业市场主要区域分布柔性传感器国产化率的不断提高与国内典型企业的的高研发投入、产品线增加存在很大联系。汉威科技目前已建立了稳定的纳米敏感材料体系，掌握了柔性压阻、柔性压电、柔性温湿度、柔性电容四大核心技术，确立了柔性压力传感器、柔性压电传感器、柔性织物、柔性应变传感器、柔性温湿度传感器、柔性热敏传感器、柔性电容传感器七大产品系列，拥有百余项核心专利，拥有一条年产1000万支柔性传感器的超净印刷线和组装线。公司致力于成为柔性感知产业的领航者，专注于行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告22国内机器人、汽国内机器人、汽柔性智能感知解决方案，全力打造“柔性+”生态系统。根据公司年报显示，2022年传感器业务收入为2.725亿元。汉威科技2023年半年报显示，报告期内，苏州能斯达订单金额不断增加，应用领域不断拓展，柔性微纳传感器目前已在智能机器人领域有明确的应用，并与小米科技、九号科技、深圳科易机器人等积极开展业务合作，后续发展空间广阔。表5:主要柔性传感器产品介绍柔性压力温度一体化传感器压力和温度响应速度快；灵敏度高、检测范围宽；人机交互和消费电子、工业、医疗等薄膜分布式压钛深科技墨现科技FLX系列薄膜压力传感器机器人、医疗检测、智能睡眠、电机产线、物流仓储、医疗康养、工业制造、商业服务等多维触觉传感器国外精准：提供毫米级的三维表面数据；国外精准：提供毫米级的三维表面数据；触觉传感器"维成像与建模、添加剂制造业等提供自然的触觉；AR/VR、可穿戴设备、运动训练、器，人机交行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告23聚酯切片聚酰亚胺(PI)、聚酯(PET)、聚乙烯柔性基底聚酯切片聚酰亚胺(PI)、聚酯(PET)、聚乙烯柔性基底基于柔性传感器特性和使用需求，其常用材料包括柔性基底、碳材料、无机半导体材料。表6:柔性传感器常用材料及供应商瑞华泰聚酰亚胺薄膜瑞华泰桐昆股份桐昆股份天奈科技天奈科技 碳材料碳纳米管、石墨烯方大碳素超细石墨粉 无机半导体材料ZnO、ZnS行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告245电子皮肤与MEMS压力传感器对比帕西尼是一家拥有前沿触觉核心及自动化技术的公司，致力于打造感知更加智能的机器人系统，提升人机交互体验，并在新兴领域探索创新，为客户和社会带来更先进、智能的科技应用。延续优秀的研发资质，公司拥有行业一流的机器人产品及方案，包含多维度触觉传感器PX-6AX、消费级触觉传感器PX-3A、触觉灵巧手DexH5以及人形机器人Tora，为智能制造、康养医疗、工业生产、消费电子等领域客户提供行业领先机器人产品和解决方案。DexH5是一款多自由度机器人手与触觉传感器完美集成的产品。借助数百个触觉传感单元和人工智能算法，DexH5可以像人手一样自主实现各类常见操作。丰富的触觉数据可以为细分领域带来革命性的突破。图27：帕西尼DexH5产品示意图在传统三维/六维力检测的基础上，安装在PX-6AX上的柔性传感阵列能额外为机器人提供滑动、摩擦、纹理、温度等额外信息，使得机器人能在更丰富多元的场景下完美感知，完成复杂的自适应动作。PX-6AX由日本早稻田大学机器人实验室出身的帕西尼感知科技团队开发，可广泛应用于智能制造、康复医疗、工业生产和消费电子等多个领域。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告25图28：帕西尼D、PX-6AX产品示意图PX-6AX是一款创新的高端触觉传感器，此传感器专为捕捉亚毫米级的微小形变而设计，使机器人及自动化设备能够实现近似人类的触觉感知能力。帕西尼触觉传感器PXChip目前包含三个关键模块，分别为独自开发的磁场传感电路软板及弹性复合材料以及首款PXDb触觉数据库。通过感受物理表面特征，帕西尼感知科技的触觉传感器具备柔软度、摩擦力、质地、热导量、表面黏性五大感知维度，精准度可以达到0.01N~19N，响应速度为0.1ms。触觉分辨率逼近人类皮肤感知的极限1.2mm（人类皮肤最多能够分辨1mm的物体间距）。PX-6AX采用了先进的柔性传感阵列，能够提供多维的触觉信息，包括滑动、摩擦、纹理和温度等，超越传统的三维或六维力检测技术。它的关键特点如下：1.亚毫米级形变感知能力：PX-6AX能捕捉到微小至亚毫米级别的形变，为机器人提供了极其细致的触觉反馈。2.多维触觉数据提供：通过其柔性传感阵列，PX-6AX能提供包括滑动、摩擦、纹理、温度等多维触觉信息。这些信息远超传统三维或六维力检测技3.先进的压阻式传感器：采用压阻效应，这种传感器可以将机械应力转换成可量化的电信号，增强了其感知外部环境的能力。4.自研AI算法和触摸反馈：PX-6AX搭载的AI算法能够通过触摸区分不同的形状和材质，提供精准的感知。5.高级感知模块：通过自研AI算法和触摸反馈，能区分不同形状和材质，拥有广泛的触感数据库。且通过磁场传感电路软板、弹性复合材料和PXDb触觉数据库的结合，提升了传感器在各种物理表面特征上的感知能力。能测量包括压觉、力觉、滑觉在内的多达15种物理量，精度高达0.01N。6.精确度与响应速度：PX-6AX的精确度范围在0.01N至19N之间，响应速度快至0.1ms，保证了即时和精准的反馈。7.灵活的配置与部署：支持输出单向/三轴受力情况，可适用于单体或本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告26多体阵列式部署，最高采样频率可达1000Hz。XELARobotics是日本早稻田大学的子公司，公司主要提供可应用于人形机器人灵巧手的三维触觉传感器和电子皮肤，拥有从触觉传感器→灵巧手本体→软件与算法于一体的解决方案。主要产品包括软性接触传感器、矩阵式三轴触觉传感器等，广泛应用于人工智能、消费电子、工业电子等领域。公司开发的uSkin系列触觉传感器是一种高密度的三轴触觉传感器，采用薄、柔软、耐用的包装，并且布线最少，使机器人能够感知和理解物体的形状、质地、温度等信息。图29：uSCueALHA触觉传感器产品示意图uSCueALHA触觉传感器是一个弯曲的三轴触觉传感器模块，每个单独的传感器测量三轴力。每个模块中包含30个传感器阵列，传感器尺寸为39.3x31.4x28.9mm。将传感器与控制器或接口连接时，只需要使用7根导线。uSkin传感器每个模块包括多个传感器，每个传感器都能够测量三轴力，不仅限于垂直力。uSkin4x4是最普遍的型号之一，包含16个独立的感知点，这些感知点模拟操纵杆，测量X、Y和Z轴的力。图30：uSkin测量三轴力原理示意图行业专题研究/机械本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告27uSkin传感器特点如下：1.响应速度：uSkin已经提供数字输出。只需要少量细线来收集测量数据，无需额外的模数转换器。从而提供更快、更准确的测量结果，同时减少电磁噪音和干扰。2.精确度：具有0.1克力（gf）的高灵敏度阈值，使传感器能够检测到极轻微的触碰，适用于需要精确力量测量的应用。3.柔韧性：uSkin的柔软性还确保传感器对过载具有高度的韧性，使其非常耐用4.校准精确：XELARobotics提供两种校准选项，都使原始测量值被转换为牛顿的力量测量值。一种方案为uSkin传感器都使用XELA的通用参数进行校准。另一种为每个感知点都被单独校准。感知点之间的轻微差异被平衡，以确保更均匀的响应。这种类型的校准提高了传感器的精度，从而实现更详细的数据收集。5.磁场干扰补偿：uSkin的专利技术通过使用参考测量，消除传感器附近磁场的干扰。柔性传感器和MEMS传感器是两种在现代技术应用中极为重要的传感器类型。它们各自具有独特的特点和优势，适用于不同的应用场景。在电子皮肤（e-skin）的开发中，柔性传感器和MEMS传感器各自拥有不同的技术特点和应用优势，同时也面临着各自的挑战和限制。基本特性如下：1.柔性传感器：柔性传感器以其可弯曲和伸缩的特性而著称。这些传感器通常由柔性材料（如聚合物、纸、或织物）制成，能够适应弯曲和扭曲的表面。柔性传感器在测量压力、弯曲、伸展等物理变化方面表现出色。2.MEMS传感器：MEMS传感器是利用微型化机械和电子元件制成的小型传感器。这些传感器以其小尺寸、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。在电子皮肤的制造中，柔性传感器因其出色的适应性和柔韧性被广泛使用。它们能够模仿人类皮肤的特性，如伸缩性和柔软性，从而在紧贴人体或机器人表面的应用中表现出色。这种传感器在制造健康监测设备、智能假肢或触觉增强型穿戴设备时尤为重要。然而，柔性传感器在技术上仍面临一些挑战。例如，虽然材料成本相对较低，但它们在大规模生产时可能面临复杂的制造工艺和耐久性问题。此外，柔性传感本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告28器在极端环境下（如高温或高湿）的性能稳定性也是一个挑战。MEMS传感器在电子皮肤中的主要优势在于其小型化、低功耗、高精度等能力。这些传感器可以在极小的空间内提供多种感测功能，如压力、温度和湿度测量，使它们在需要精确监测和数据收集的应用中非常有价值。MEMS传感器在小型化医疗设备和精密机器人技术中的应用尤为突出。但是，MEMS传感器的主要挑战在于较高的生产成本和技术复杂性。它们的设计和制造过程通常需要精密的工程技术和高级的制造设施。此外，MEMS传感器可能对外部物理冲击较为敏感，这在某些应用中可能是一个限制因素。在电子皮肤的应用中，柔性传感器和MEMS传感器各有千秋。柔性传感器更适合于需要高度柔韧和可穿戴性的场合，而MEMS传感器则在需要精确数据和多功能性的高端应用中更为理想。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。例如，一个综合的电子皮肤系统可能包含柔性传感器以提供舒适的穿戴体验和基本的感觉功能，同时利用MEMS传感器来提供精确的监测和复杂的数据处理能力。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明