人形機器人產業(yè)鏈分析——柔性觸覺傳感器

2023年12月，特斯拉發(fā)布 Optimus Gen2的最新視頻。視頻顯示，Optimus Gen2能精準地抓握雞蛋，并完成抓取、傳遞等動作。最大的亮點在于其每個手指指尖配置觸覺傳感器，實現(xiàn)對物體強大的控制、感知和抓取能力，并且能呈現(xiàn)出接觸點的多少及亮度。今天，我們就來探討學習觸覺傳感器的原理，市場空間，及國內相關企業(yè)的發(fā)展情況等，以便大家對行業(yè)有更深入的了解。

圖|特斯拉人形

來源：特斯拉發(fā)布視頻

與人類一樣，機器人通過觸覺完成：傳感-感知-決策，實現(xiàn)對環(huán)境更好的理解和交互，相較于視覺，觸覺在機器人對物體的材質特征和細節(jié)信息理解上更勝一籌。

機器人通過觸覺更好地表征物體的局部幾何形狀和接觸力的大小、方向，單一的視覺反饋機制，限制了機器人對物體材料屬性、形狀、粗糙平滑等特征的分析與判斷，使得機器人在操作中動作不準確、不穩(wěn)定，交互過程“笨拙”，無法適應精細、復雜、多變的工作場景。隨著通用型人工智能技術的發(fā)展和人形機器人全球發(fā)展的勢能集聚，人形機器人觸覺感知迎來了應用剛需。

觸覺傳感器是機器人直接感知環(huán)境作用的重要傳感器，能夠實現(xiàn)與環(huán)境接觸力、溫度、濕度、震動、材質、軟硬等特性的檢測。觸覺傳感器接觸面積越大，獲得的信息量越大。在觸覺傳感陣列中單位面積內傳感單元數(shù)量越多，即觸覺傳感陣列分辨率越高，獲得的物體信息越準確。

一、柔性觸覺傳感器簡介

1.1、柔性觸覺傳感器

柔性觸覺傳感器是利用柔性材料的物理特性，將外部的力學量轉換為電學量，從而實現(xiàn)對觸覺感知的傳感器產品，具有高靈敏度、高柔韌性、響應速度快、延展性高甚至可以自由彎曲折疊等特點。

柔性觸覺傳感器從敏感元件的感應原理上主要分為：壓阻式（電阻）、壓電式、電容式、光電式、磁敏式、光纖式和超聲式等，其中電容、壓阻、壓電是常用的原理方法。目前電容式是最主要的細分產品，占據大約54.6%的份額。

圖|不同感應原理優(yōu)缺點

來源：朱宏偉《觸覺傳感器的現(xiàn)在與未來》、與非研究院整理

柔性觸覺傳感器材料選擇包括敏感材料(半導體、有機聚合物、碳納米管、石墨烯等)和柔性基底材料。柔性基底材料需要具有輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質，材質一般為硅橡膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。日本公司XELA Robotics應用于機器人的產品uSkin采用的就是硅橡膠。

柔性觸覺傳感器的價值較高。根據文獻一只靈巧手的五只手指若全部配備以硅橡膠為基底的多陣列柔性觸覺傳感器，需要花費812美元

1.2、市場空間

據 QYResearch最新報告顯示，預計 2029 年全球柔性觸覺傳感器市場規(guī)模將達到 53.2億美元，未來幾年年復合增長率 CAGR 為17.9%。

圖|柔性觸覺傳感器全球市場規(guī)模

來源：QYResearch

隨著新材料和新工藝的發(fā)展，觸覺傳感器開始向柔性化、輕量化、高靈敏度的方向發(fā)展，相應的應用領域也獲得了較大的擴展，除了智能機器人領域發(fā)展較快外，柔性觸覺傳感器在工業(yè)設備、醫(yī)療器械、消費電子、體育器材、紡織行業(yè)、航空航天、環(huán)境勘測等領域也獲得了廣泛應用。

全球范圍內柔性觸覺傳感器生產商主要包括 Novasentis、Tekscan, Inc.、Japan Display Inc. (JDI)、Baumer Group、Fraba Group、Syntouch、Canatu、Sensel、FORCIOT、鈦深科技（深圳）有限公司等。2022年，全球前五大廠商占有大約 57.1%的市場份額。

二、國內主要公司

全球機器人觸覺傳感始于1970年代，直至2010年后迎來爆發(fā)期，我國觸覺傳感器布局較晚，目前尚處于發(fā)展初期。相較于國際市場，國內觸覺傳感器發(fā)展面臨工藝復雜、技術難度高以及成本過高導致的商業(yè)化受限等問題。但是，也有很多公司開始了觸覺傳感器的布局。

2.1、帕西尼感知

PaXini Tech 是一家擁有前沿觸覺核心及自動化技術的公司，公司創(chuàng)始成員來自于日本早稻田大學機器人實驗室，實驗室擁有最前沿技術并發(fā)布了世界上第一款人形機器人。延續(xù)優(yōu)秀的研發(fā)資質，公司擁有行業(yè)一流的機器人產品及方案，包含多維度觸覺傳感器PX-6AX、消費級觸覺傳感器PX-3A、觸覺靈巧手DexH5 以及人形機器人Tora，為智能制造、康養(yǎng)醫(yī)療、工業(yè)生產、消費電子等領域客戶提供行業(yè)領先機器人產品和解決方案。

圖|帕西尼觸覺產品

來源：帕西尼官網

2023年，世界機器人大會上，帕西尼發(fā)布行業(yè)首款以多維度多陣列觸覺感知為核心的人形機器人Tora（觸覺智能人形機器人）。Tora融合先進的視觸覺多模態(tài)感知技術，雙手表面搭載180余個多維觸覺傳感器，可檢測壓覺、力覺、滑覺等15種物理量，采樣頻率高達1000HZ，力控精度高達0.01N，可靈敏感知接觸面上亞毫米級別微小形變。

2.1.1、多維觸覺傳感器PX-6AX

其柔性陣列上亞毫米級別的微小形變場能被瞬間捕捉，同時還能為機器人提供滑動、摩擦、紋理、溫度等額外信息，讓機器人擁有媲美人類的靈動豐富觸覺。

圖|觸覺感知功能解析

來源：帕西尼官網

在傳統(tǒng)三維/六維力檢測的基礎上，安裝在 PX-6AX 上的柔性傳感陣列能額外為機器人提供滑動、摩擦、紋理、溫度等額外信息，使得機器人能在更豐富多元的場景下完美感知，完成復雜的自適應動作。

2.1.2、觸覺靈巧手DexH5

帕西尼觸覺靈巧手DexH5是一款多自由度機器人手與觸覺傳感器完美集成的產品,借助數(shù)百個(180)觸覺傳感單元和人工智能算法，DexH5可以實現(xiàn)如人手一般靈活的各類常見操作，靈敏的觸覺感知和豐富的觸覺數(shù)據將為眾多領域帶來革命性的突破。

多維度觸覺傳感器能感知多種觸覺輸入，為機器人、計算機、通信、消費電子等領域帶來了更豐富多樣化的用戶體驗，并增強設備性能，使其進一步升級。通過將多維度觸覺傳感器集 成到設備中，可以讓用戶在使用時感受到更加真實、沉浸式的觸覺反饋。

2.2、能斯達

蘇州能斯達電子科技有限公司成立于2013年，是創(chuàng)業(yè)板上市公司漢威科技的成員企業(yè)。公司目前已建立了穩(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，確立了柔性壓力傳感器、柔性壓電傳感器、柔性織物、柔性應變傳感器、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品系列，擁有百余項核心專利，擁有一條年產1000萬支柔性傳感器的超凈印刷線和組裝線。公司致力于成為柔性感知產業(yè)的領航者，專注于柔性智能感知解決方案，全力打造“柔性+”生態(tài)系統(tǒng)。

2.2.1、ZNS-01 柔性薄膜壓力傳感器

ZNS-01 柔性薄膜壓力傳感器是一種電阻式傳感器，輸出電阻隨著施加于傳感器表面壓力的增大而減小，通過特定的壓力-電阻關系，可以測量出壓力大小，可廣泛應用于人機交互、智能機器人、可穿戴設備、生理健康檢測等領域。產品特點：超薄，厚度不超過 0.3mm；功耗低 、穩(wěn)定性優(yōu)異；靈敏度高、檢測范圍寬等。售價299起。

圖|柔性薄膜壓力傳感器

來源：能斯達電子產品介紹

ZNS-01 柔性薄膜壓力傳感器可用于機器人觸覺感知傳感器、智能手套上壓力檢測等。

2.3、力感科技

力感科技成立于 2016 年，是一家中國科學院孵化的創(chuàng)新型企業(yè)。公司依靠傳感器、軟件、算法等專業(yè)知識，為消費電子和健康領域提供力感應技術的解決方案，開發(fā)出智能床墊傳感器、硬件開發(fā)模塊等產品，服務于智慧養(yǎng)老、保健康復等領域。目前公司產品包括薄膜壓力傳感器、陣列傳感器等。

圖|力傳感技術的工作原理

來源：力感科技官網

2.3.1、力感應電阻器

超薄且柔軟的壓力感應技術正在被越來越多的使用，薄膜壓力傳感器由綜合機械性能優(yōu)異的聚酯薄膜、高導電材料和納米級壓感材料組成。

圖|薄膜壓力傳感器

來源：力感科技官網

2.3.2、壓感材料

底層是柔性薄膜和復合其上的導電層，頂層是柔性薄膜和復合其上的壓感材料。兩者通過雙面膠貼合，并隔離上下兩層的感應區(qū)域。

圖|壓感材料

來源：力感科技官網

2.3.3、FS-INS-16Z陣列傳感器

FS-INS-16Z 足底壓力傳感器是擁有16個獨立感應區(qū)，感應區(qū)的輸出電阻隨外部壓力的變化而發(fā)生相應變化的柔性薄膜壓力傳感器。

2.4、鈦深科技

鈦深科技作為一家新型技術型企業(yè)，專注于鋰電池全生命周期管理，旨在解決鋰電安全以及梯次利用等方面的諸多問題。公司成立于 2018 年，總部位于深圳，同時在北京、成都和常州設有研發(fā)團隊和市場團隊。

2.4.1、離電子傳感技術介紹

公司首席科學家潘挺睿教授團隊于2010年在國際上首先提出了不同于現(xiàn)有電阻式、電容式和壓電式傳感之外的，第四代傳感機理-界面離電子觸覺傳感技術，離電子傳感器采用全新的壓力感應原理，通過可形變的離子材料層和柔性導電材料表面的接觸面積改變來感知外部壓力。

圖|薄膜分布式壓力傳感器

來源：鈦深科技

除技術參數(shù)全面領先外，離電子傳感可提供實時的、高質量的、低噪聲的觸覺信號，同時可擁有全柔性、光學透明及超薄封裝等特性；其“靈、柔、透、密、廣”的特性使產品在消費電子、工業(yè)、醫(yī)療等領域具備獨有的競爭優(yōu)勢。

圖|傳感器性能

來源：鈦深科技

2.5、埔慧科技

廣州埔慧科技有限公司圍繞新型微結構柔性觸覺傳感器技術，基于中科院長春應用化學研究所在功能彈性體材料、導電高分子柔性電子器件等領域扎實的研究基礎，在廣東粵港澳大灣區(qū)黃埔材料研究院成果轉化的支持下，突破新型柔性傳感器材料、設計、制造、封裝、測試和應用等技術瓶頸，實現(xiàn)新型微結構傳感器的批量化生產和產業(yè)化應用。

2.5.1、結構機理

微結構柔性觸覺傳感器主要由微結構基底、導電涂層、采集電極、封裝層組成。

圖|微結構柔性觸覺傳感器

來源：埔慧科技官網

微結構柔性觸覺傳感器為壓阻響應原理，具有表面微結構的材料在受壓時發(fā)生形變，改變導電層與電極間接觸面積以及接觸電阻，進而關聯(lián)壓力-電學信號，實現(xiàn)觸覺感知功能。

2.5.2、柔性傳感器特性

基于表面微結構的新一代柔性壓力傳感器技術。當受力產生壓縮時，其接觸電阻會發(fā)生變化。
通過特定的壓力-電阻關系，可測量出壓力大小，因此可做為壓力傳感器。

薄、柔; 高分子材料，厚度小于0.4mm，可彎折。靈敏度高，測試量程范圍寬。響應點低至5Pa，量程可定制。響應速度快（＜10ms），壽命長（＞100萬次）。電阻值1-10kohm級別，功耗相對較低。形狀結構可隨意設計，以滿足不同場景的不同需求。可制備多通道高密度陣列傳感器，最小單元可達0.5*0.5mm。

2.5.3、定制服務

根據具體產品和場景需求定制各類形狀、尺寸的傳感器元器件。

圖|產品尺寸

來源：埔慧科技官網

公司產品的應用場景涵蓋測量設備，觸控交互，醫(yī)療設備，健康監(jiān)測等領域，為客戶提供高靈敏度柔性壓力傳感器元件與陣列系統(tǒng)，解決企業(yè)在應力分布圖像獲取、動作識別、人體微信號檢測等方面的需求，為企業(yè)產品實現(xiàn)數(shù)字化、智能化升級提供新型傳感器解決方案。

2.6、慧聞科技

慧聞科技是一家從事智能傳感器研發(fā)、生產和銷售，同時提供人工嗅覺與壓感解決方案的國家級高新技術企業(yè)。公司于2014年由具有多年傳感器研發(fā)和應用經驗的科學家團隊在蘇州成立，目前已研發(fā)出針對多種有毒有害氣體的傳感器芯片、各類壓力傳感器及相應的檢測模塊，產品被廣泛應用于工業(yè)安全，智能家居家電，環(huán)境監(jiān)測，品質監(jiān)測，健康醫(yī)療等領域。

公司也在不斷地開發(fā)在人工觸覺領域的應用，慧聞科技陸續(xù)推出了柔性壓阻式薄膜傳感器以及柔性壓電式薄膜傳感器，讓企業(yè)的產品線更加豐富完善。

2.6.1、壓阻型薄膜傳感器

圖|產品種類

來源：慧聞科技官網

2.6.2、壓電型薄膜傳感器

圖|壓電型柔性薄膜壓力傳感器

來源：慧聞科技官網

三、總結

柔性觸覺傳感器應用空間廣闊，核心技術壁壘高筑。國內廠商通過多年產業(yè)、技術積累，已經涌現(xiàn)出像帕西尼這樣的從觸覺傳感器到觸覺機器人全產業(yè)鏈公司，還有能斯達、力感科技、鈦深科技、埔慧科技和慧聞科技這些專注柔性觸覺傳感器研發(fā)的公司。未來人形機器人的快發(fā)發(fā)展，將驅動觸覺傳感器市場高速增長，加速導入核心客戶，實現(xiàn)國產替代。