本篇為中金機械團隊—人形機器人前沿系列，聚焦觸覺感知,。我們從全球機器人觸覺發(fā)展,、技術路線、明星產(chǎn)品（六維力傳感,、柔性電子皮膚）深度剖析行業(yè)發(fā)展機遇,。
我們認為，1）觸覺感知和視覺同屬機器人核心感知層,，但國內(nèi)發(fā)展更處初期,。2）2023年全球人形機器人勢能積聚，在靈巧手,、雙足帶來應用剛需,。3）A股純機器人力傳感標的稀缺,，關注國內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)投資機會。
摘要
觸覺感知,，牽引智能機器人感官革命,。1）廣義觸覺包含力、滑,、溫度等接觸信息,，類比生物體，觸覺和視覺同處核心感知地位,。2）全球機器人觸覺傳感始于1970年代,，直至2010年后迎來技術爆發(fā)期。我國觸覺傳感器布局較晚,，以高校和初創(chuàng)企業(yè)為主,。3）人形機器人作為被寄予厚望的高度智能化產(chǎn)物，靈巧手,、雙足帶來應用剛需,，各實驗室力傳感方案多元。
子賽道一：六維力傳感器,，璀璨的明珠,。1）協(xié)作機器人常見感知有電流環(huán)（非彈性體受力）、力傳感器（壓阻/電容/壓電）,、柔性電子皮膚三種,，其中力傳感器為精準測力的產(chǎn)業(yè)化主流選擇。2）六維力傳感器為力傳感皇冠明珠,，在打磨等場景中用于機器人末端夾爪,，我們認為人形機器人有望帶來強勁市場增量。3）僅考慮全球協(xié)作 人形機器人場景,，我們測算2025年新增六維力傳感市場近50億元,。
子賽道二：柔性電子皮膚，產(chǎn)業(yè)界催化重重,。1）2023年北京地方政策提出探索電子皮膚的科研導向,，越疆等機器人廠商紛紛行動。2）我們認為電子皮膚在機器人應用,，比較優(yōu)勢在于柔軟可拉伸,、觸覺點位增多、多模態(tài)感知能力,。3）國產(chǎn)小荷才露尖尖角,，海外知名為Interlink、Tekscan等，國內(nèi)僅能斯達等少數(shù)企業(yè)具備產(chǎn)業(yè)化預期,。我們認為中短期,，電子皮膚手套產(chǎn)品等有望落地速度更快。
風險
全球人形機器人量產(chǎn)不及預期等,。
正文
觸摸未來,，解析力感知的無限可能
機器人觸覺——走向更加智能的交互方式
觸覺為機器人獲取環(huán)境物理信息的重要知覺。回溯研究文獻,，學界把機器人觸覺分為廣義和狹義定義,，廣義包括“力、滑,、溫度等與接觸有關的信息”,，狹義為“機械與接觸面上的力感覺”。類比生物體,，觸覺和視覺同處核心感知地位,，體現(xiàn)在：1）較非接觸式信息,，觸覺可為機器人提供環(huán)境直接信息,。2）當視覺受阻時，機器人對觸覺感知產(chǎn)生自然訴求,。3）在復雜環(huán)境執(zhí)行中,，觸覺提供更可靠的執(zhí)行結(jié)果。
根據(jù)《柔性觸覺傳感技術及其在醫(yī)療康復機器人的應用（2022）》,，以康復機器人舉例,，觸覺感知引入機器人系統(tǒng)，經(jīng)歷三層次信息處理,。
? 傳感：觸覺傳感器（按原理可分為壓電式/電容式/磁學式/光波導等）將觸覺信號轉(zhuǎn)換成電信號,，經(jīng)降噪、調(diào)制后輸入感知層,；壓力,、扭矩是觸覺傳感器主要監(jiān)測對象。
? 感知：含信息提取,、與其他類別傳感器（如視覺,、IMU）等信息融合。AI算法如CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡）在視觸模型導入,。值得注意的是,，全球觸覺傳感器亦呈現(xiàn)多模態(tài)趨勢，由幾種不同敏感元件集成,。
? 決策：機器人執(zhí)行決策操作,，最早全球觸覺傳感器應用在工業(yè)機器人自動焊（1974年），發(fā)展至今已分布在抓取、打磨,、拋光等操作任務中,。
圖表：機器人觸覺感知經(jīng)歷三維度信息處理
資料來源：《柔性觸覺傳感技術及其在醫(yī)療康復機器人的應用（2022）》，程龍等,，中金公司研究部
風起于1970年代,，舞動于非傳統(tǒng)工業(yè)機器人藍海。1974年日立在工業(yè)焊接機器人手臂安裝觸覺裝置,，感知工件狀態(tài),。至2000年前，受限于觸覺傳感器技術有限（尤其在材料,、敏感器件封裝）,，全球觸覺傳感器并未如期批量進入工業(yè)機器人市場。2010年后,，以精工愛普生,、發(fā)那科等代表企業(yè)在精密加工（如打磨）中加大觸覺傳感器研發(fā)，并引領觸覺傳感在醫(yī)療康養(yǎng)機器人,、協(xié)作機器人等非傳統(tǒng)工業(yè)機器人應用,，帶領觸覺傳感進入發(fā)展提速期。
圖表：以企業(yè)為例,，全球機器人觸覺傳感技術路徑變遷
資料來源：《智能機器人觸覺傳感專利技術綜述（2020）》,，崔芳婷等，中金公司研究部
我國觸覺傳感器布局較晚,，以高校和初創(chuàng)企業(yè)為主,。我國在20世紀80年代初開始研究機器人觸覺傳感器，以東南大學和中科院合肥智能機械研究所為代表,。觸覺傳感器為敏感材料,、加工工藝（半導體微機械加工與集成技術）、軟件算法的綜合學科,，相比于視覺傳感器,，我國觸覺傳感器在機器人領域發(fā)展明顯滯后，體現(xiàn)在海外專利申請不足,、企業(yè)研發(fā)較少,、量產(chǎn)能力有限等特點。
根據(jù)《智能機器人觸覺傳感專利技術綜述（2020）》對2423篇全球相關專利分析（1974年-2019年06月31日）的樣本統(tǒng)計,，有別于美國,、日本等參與主體以企業(yè)為主，中國以高?？蒲性核鶠橹?，如東南大學,、浙江大學、哈工大,。同樣在已上市公司中,，觸覺傳感器標的較為稀缺。
圖表：1974-2019H1全球觸覺傳感器專利分布
資料來源：《智能機器人觸覺傳感專利技術綜述（2020）》,，崔芳婷等,，中金公司研究部
圖表：我國觸覺傳感器研究以高校科研力量為主（截至2019H1）
資料來源：《智能機器人觸覺傳感專利技術綜述（2020）》,，崔芳婷等,，中金公司研究部
朝霞之始，人形機器人強化類人感知,。2022年開始,，人形機器人拉開全球智能機器人時代大幕，2023年產(chǎn)業(yè)界勢能積聚,。人形機器人作為被寄予厚望的高度智能化產(chǎn)物,，在靈巧手、雙足帶來應用剛需,。我們以市場公開論文或技術方案,，舉例說明：
? 足部：雙足機器人運動中，腳底壓力反饋信息對步態(tài)實時控制至關重要,。
1）哈爾濱工業(yè)大學超精密光電儀器工程研究中心及雙錢集團博士后創(chuàng)新基地學者（2015年）研發(fā)一款足底壓力測量傳感系統(tǒng),，測量足底壓力中心位置和足底力有無，并可推測雙足人形機器人運動速度,，試驗結(jié)果與實際誤差在0.1m/s以內(nèi)。
2）2023年UCLA Taoyuanmin Zhu 在《Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot》中,，在腳后跟和腳趾,，定制兩維力傳感器，只測量兩個垂直的地面反作用力,。
圖表：UCLA—Artmes足部觸覺傳感器方案
資料來源：《Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot（2023）》,，Taoyuanmin Zhu，中金公司研究部
? 靈巧手：多指靈巧手作為人形機器人末端夾爪,，核心依賴觸覺傳感,，全球以德國、意大利,、英國,、日本和美國為代表，在航空,、醫(yī)療領域前沿布局,。
1）全球靈巧手關節(jié)執(zhí)行器主要分電機驅(qū)動（內(nèi)置伺服電缸）和腱驅(qū)動（腱繩柔性傳動），以腱驅(qū)動為代表的NASA—Robonuat靈巧手，其觸覺傳感器包括“關節(jié)角位置傳感器 腱張力傳感器 六維力傳感器”構(gòu)成,。
2018年,，南京航空航天大學受863基金資助的《腱驅(qū)動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究》，全面分析了三類觸覺傳感器作用機理,，并指出,，六維力傳感器靈巧手系統(tǒng)中最重要的傳感器之一。
2）國內(nèi)有多家公司推出可量產(chǎn)的靈巧手,。根據(jù)《機器人多指靈巧手的研究現(xiàn)狀,、趨勢與挑戰(zhàn)（2021）》分析，因時機器人RH56BF3 仿人型多指靈巧手為例,，具有 6 個驅(qū)動器和5個接觸力傳感器,。文章指出，由于仿生手指表面的軟性曲面結(jié)構(gòu),，電子皮膚或?qū)⒊蔀橄乱粺狳c研究方向,。
圖表：基于腱驅(qū)動的多指靈巧手觸覺傳感器方案（以南京航空航天大學為例）
資料來源：《腱驅(qū)動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究（2018）》，韓如雪,，中金公司研究部
綜合來看,，以人形機器人為代表的智能機器人，在三大方面區(qū)別于傳統(tǒng)機器人,。
? 類腦控制：工業(yè)機器人以專用運動控制器,，多為PC-based。人形機器人為實現(xiàn)具身智能的終極目標,，需建立在強算法,、強算力、通用生態(tài)的基礎上,，云端大腦是訓練多模態(tài)通用人工智能的合適路徑,。
? 感知能力：觸覺感知成為人形機器人剛需，含力,、滑,、溫度、剛度等與接觸有關的信息,，以力感知為主,。在協(xié)作機器人中，電流環(huán)或力矩傳感器為主流應用,。在人形機器人上,，電子皮膚（仿生材料）、多模態(tài)聯(lián)動為研究熱點,。
? 應用生態(tài)：由于人形機器人應用場景遠未固化,，各家目標工作場景差異化較大,，因而傳感器方案相差較大。但整體上,，我們認為延續(xù)專業(yè)分工模式,，觸覺傳感器企業(yè)主力供應，人形機器人企業(yè)二次開發(fā)或集成,。
圖表：智能機器人區(qū)別于傳統(tǒng)機器人的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)
資料來源：各公司官網(wǎng),，中金公司研究部
力傳感：電流環(huán)相對普遍，力矩傳感器成本高昂產(chǎn)業(yè)應用前夕
力傳感器是觸覺傳感的主流產(chǎn)品,，從作用原理,，學界常分六大類。
? 壓阻式：外力作用在壓阻材料（石墨烯等）時,通過測量阻值變化可以得到接觸力,。通過在接觸面設計不同幾何形狀的微結(jié)構(gòu),，可實現(xiàn)靈敏度的定制。
? 電容式：外力作用在介質(zhì)時,，介質(zhì)間距,、相對面積或介電系數(shù)發(fā)生改變，通過電容值推測力,，與MEMS工藝結(jié)合緊密,。微型空腔, 疏松化可提高靈敏度，但對磁場變化敏感,。
? 壓電式：被動壓電從電流探測外力(矩),，主動壓電從諧振頻率測算，常見的壓電材料有石英,、氧化鋅等,。
? 其他：1）磁學式：外力導致磁極移動，通過霍爾效應監(jiān)測,。2）光波導：作為分布式傳感,，靈活性高。3）熱學式：輔助補充手段,。
圖表：六大類力傳感器劃分（按作用原理）
資料來源：《柔性觸覺傳感技術及其在醫(yī)療康復機器人的應用（2022）》，程龍等,，中金公司研究部
在產(chǎn)業(yè)界分類中,，力感知產(chǎn)品分三類：
? 電流環(huán)：沒有通過彈性體受力，通過調(diào)整伺服電機,，獲取各關節(jié)電流,，再通過電機廠商提供的轉(zhuǎn)矩系數(shù)計算各關節(jié)的輸出力矩。根據(jù)我們產(chǎn)業(yè)調(diào)研,，協(xié)作機器人應用場景中,，60%以上場景采用電流環(huán)作為觸覺感知,，只感知力矩，不分解力的方向和大小,，單價千元以內(nèi),，安裝方便。
? 力（力矩）傳感器：包括末端 關節(jié),。力（力矩）傳感器實現(xiàn)測量力的大小和方向,，其中六維力傳感器（感知三維空間全力信息）為皇冠上的明珠。根據(jù)我們產(chǎn)業(yè)調(diào)研,，約20%協(xié)作機器人末端安裝六維力傳感器,，用在打磨、精密裝配環(huán)節(jié),。
圖表：協(xié)作機器人力傳感器示意圖
資料來源：藍點觸控,，中金公司研究部
? 柔性電子皮膚（E-skin）：附著于機器人表面的柔性納米功能材料，敏感材料,、結(jié)構(gòu)設計,、多模態(tài)感知是電子皮膚技術進步方向。電子皮膚在健康監(jiān)測,、可穿戴設備等領域已有應用落地,，但未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應用。
圖表：協(xié)作機器人實現(xiàn)力感知的主流產(chǎn)品
資料來源：MIR,，中金公司研究部
在此后章節(jié),，我們重點分析力（力矩）傳感器和柔性電子皮膚發(fā)展趨勢。
力（力矩）傳感器：精準測力的主流選擇
分類：六維力傳感器,，璀璨的明珠
力傳感器分為一維和多維（三維,、六維）。1）一維力傳感器：只能測量單維度力和力矩,，如工業(yè)場景中常見的稱重儀器,，就是一維力傳感器。2）多維力傳感器：六維傳感器可同時測量沿三個坐標軸方向的力和繞三個坐標軸方向的力矩,，屬于機器人關鍵核心部件,，位列工信部十四五“機器人關鍵基礎升級行動”之列。
? 一維力傳感器：一維力矩傳感器在工業(yè)應用廣泛,，但在機器人使用中,，若控制不好易產(chǎn)生振動，且量程受限,。市場一維力傳感器單價在100-2000元不等,，應用在稱重儀器、鐵路檢測等,。
? 三維力傳感器：1）力F的作用點P始終與傳感器的標定參考點O保持重合,；2）力F方向在三維空間隨機變化,，選用三維力傳感器。市場三維力矩傳感器單價在100-10000元不等,，用在實驗室檢測等,。
? 六維力傳感器：1）空間中任意方向的力F的作用點P不與傳感器標定參考點重合；2）力F方向在三維空間隨機變化,，選用六維力傳感器,。六維力傳感器大幅提升機器人末端感知水平，但成本相對高昂,，售價在3000-30000元不等,。
圖表：一/三/六維力傳感器分類及選擇
資料來源：ATI，中金公司研究部
硅應變力矩傳感器是主流感應元件,。力傳感器按感應元件分類可分為：1）硅應變片和金屬箔類,，都是將力信號形變?yōu)樽柚担瑢儆趬鹤枋剑?）光學類,，將力信號轉(zhuǎn)化反映為光柵信號,；3）電容及壓電類，將力信號轉(zhuǎn)化為電荷或極距,。據(jù)ATI（六維力矩傳感器全球龍頭）2021年發(fā)布的公開演講表明,，硅應變傳感器穩(wěn)定性、剛度及信噪比最優(yōu),，是目前主流應用,，但成本也較高昂，售價在萬元以上,。
圖表：硅應變傳感器綜合性能更優(yōu)
資料來源：ATI 2021年公開教學視頻,，中金公司研究部
壁壘：算法解耦難，生態(tài)鏈有待優(yōu)化
我們從力傳感器本身,、與機器人的協(xié)同調(diào)度來理解其工作原理：
? 力傳感器原理：以壓阻式為例,，敏感元件直接感受（或響應）被測信息（非電量），轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件的感受（或相應）信號轉(zhuǎn)換為電信號的部分,。轉(zhuǎn)換元件主要負責：1）把來自敏感元件的信號轉(zhuǎn)移成電壓,、電流等信號，使其更適合進一步處理和傳輸,；2）對信號進行濾波,、調(diào)制、解調(diào),、衰減、運算及數(shù)字化處理,。
圖表：力矩傳感器工作原理（以壓阻式為例）
資料來源：《多維力傳感器研究的發(fā)展歷史及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀》（張晨,，2021）,，中金公司研究部
? 與機器人協(xié)同調(diào)度：執(zhí)行機構(gòu)反饋給控制器力和力矩，控制器計算目標力和力矩后,，反饋給伺服控制和電機機械臂目標運動速度及加速度,，反饋級別在毫米級別。
圖表：力矩傳感器與機器人的協(xié)同調(diào)度
資料來源：ATI,，中金公司研究部
算法解耦是六維力傳感設計核心難點,。1）硬件：硅應變片、電路板,、芯片等組成,，相對標準化采購；2）算法：①動態(tài)補償：受力實時發(fā)生變化,，需要動態(tài)調(diào)整并預判力的變化,，并根據(jù)重力/慣性力/震動抑制進行算法補償。②誤差補償：多維力傳感器與單軸力傳感器比較,，除了要解決對所測力分量敏感的單調(diào)性和一致性問題外,，還要解決因結(jié)構(gòu)加工和工藝誤差引起的維間（軸間）干擾問題、動靜態(tài)標定問題及矢量運算中的解耦算法和電路實現(xiàn)問題,。3）商務因素：國外機器人企業(yè)與國外力控傳感器品牌捆綁銷售,，形成控制器里專用軟件包，并且不免費開放底層接口（CSP層）,，新廠商進入難,。
市場空間：暢想人形機器人時代，新增六維力傳感需求有望近50億元
協(xié)作機器人精密力控場景有限,，人形機器人帶來應用空間,。我們調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在協(xié)作機器人中,，六維力傳感器常用于精密打磨,、裝配、攪拌摩擦焊三大場景,。但由于全球協(xié)作機器人銷量基數(shù)仍低,，我們認為以T為代表的企業(yè)逐鹿人形機器人，將對力傳感帶來新增強勁催化劑,。
? 精密打磨：機器人根據(jù)事先設定的軌跡和接觸力進行表面拋光,，要求力矩傳感器具有一定精度、穩(wěn)定性及剛度,。
? 力控裝配：機器人抓取元器件到達預裝配點進行制定力操作,，需要安裝力反饋傳感器。
? 攪拌摩擦焊：以高速電主軸摩擦運動產(chǎn)生的熱量進行焊接,，要求摩擦熱均勻連續(xù),，需要用到力矩傳感器,。
僅考慮協(xié)作機器人&人形機器人，我們測算2025年新增六維力傳感市場近50億元,。
1）協(xié)作機器人：據(jù)高工機器人,，2022年全球協(xié)作機器人銷量7.85萬臺，假設20%安裝六維力傳感器,，單價1.5萬元左右,，則2022年全球協(xié)作機器人用六維力傳感器需求約2.4億元人民幣，按照25%年復合增速計算,，2025年市場需求約7億元,；2）人形機器人：假設2025年人形機器人全球銷量5萬臺左右（根據(jù)特斯拉產(chǎn)業(yè)鏈相關進展），一臺人形機器人至少配4個微型六維力傳感器,，單價2萬元左右,，則全球市場空間可達40億元左右。3）工業(yè)機器人：配六維力矩傳感器比例較低,，可大致忽略不計,。
圖表：全球六維力矩傳感器市場空間測算
資料來源：高工機器人，中金公司研究部
美日企業(yè)先發(fā)優(yōu)勢明顯,，國內(nèi)仍處產(chǎn)業(yè)早期,。國際上六維力矩傳感器主要研究單位有美國DRAPER實驗室、斯坦福研究所,、JPL實驗室,、IBM公司和日本的日立公司、東京大學等,，龍頭公司以美國ATI為主,，據(jù)其官網(wǎng)2022年銷售收入達5億美元左右，在四大家族,、UR等有使用量,，售價幾萬元到十幾萬人民幣不等。
圖表：內(nèi)外資力矩傳感器主要廠商介紹
資料來源：各公司官網(wǎng),，中金公司研究部
國內(nèi)一級公司風起云涌,，明星初升。我們預計國內(nèi)多維力傳感國產(chǎn)化率不足20%,，以宇立儀器,、藍點觸控、坤維科技等為代表,。宇立儀器較早與外資機器人廠建立標準產(chǎn)品合作,，聯(lián)合ABB、KUKA開發(fā)了多個標準力控產(chǎn)品。近幾年藍點觸控在打磨場景發(fā)展迅速,，人形機器人進展積極,。
柔性電子皮膚：仿生交互，應用場景涌現(xiàn)
簡介：柔性襯底 柔性傳感器,，優(yōu)化機器人觸覺感知與交互
仿生人類柔性皮膚，壓阻式為商業(yè)化首選,。電子皮膚通常采用等柔性材料作為襯底,，集成多模態(tài)的柔性傳感器，從而仿生人類皮膚,，核心兩大功能為對力信號的感知和進行外物識別,，目前大部分研究以力信號感知功能為主，實驗室研究中的傳感原理包括壓阻式,、電容式,、壓電式和摩擦電式，壓阻式因其靈敏度高,、制備簡單,、成本較低的特性成為商業(yè)化首選。除了力傳感外,，電子皮膚可以多模態(tài)信息輸入,。
圖表：電子皮膚傳感器原理對比
資料來源：《纖維基自供能電子皮膚的構(gòu)建及其應用性能研究進展》（呂曉雙等，2022）,；Yu Chang, Liu Wang, et al. First Decade of Interfacial Iontronic Sensing: From Droplet Sensors to Artificial Skins [J]. 2021,；Fang Zhong, Wei Hu, et al. Piezoresistive design for electronic skin: from fundamental to emerging applications [J]. 2022；Baoqing Nie, Ruya Li, et al. Microfluidic tactile sensors for three-dimensional contact force measurements [J]. 2014,；漢威科技官網(wǎng),；中金公司研究部
機器人、人機交互,，為電子皮膚兩大應用方向：
? 機器人觸覺：1）結(jié)構(gòu)：電子皮膚包裹于機械外部,，需和機械結(jié)構(gòu)形成完美貼合，傳感結(jié)構(gòu)層級較多,；2）設計關注點：考慮機器人內(nèi)部布線和電源供給,，以及非溫和環(huán)境下電子皮膚材料的壽命；3）應用場景：用于協(xié)作機器人和人形機器人,，對關鍵部位表面進行覆蓋,，使機器人實現(xiàn)觸覺感知，理想狀態(tài)下電子皮膚將有可能覆蓋機器人全身大面積皮膚,。
? 人機交互：1）結(jié)構(gòu)：一種形態(tài)為可貼附在人體上的小片薄膜,，另一種形態(tài)為類織物構(gòu)造的可穿戴設備，傳感結(jié)構(gòu)層級較少、相對簡單,；2）設計關注點：需要注重傳感器和人體的融合,，避免材料的毒性、致敏性,；3）應用場景：包括人機交互,、運動識別、健康檢測等,，例如通過在檢測部位貼電子皮膚貼片,，使得機器更精準地收集人體的健康生理信號變化。
圖表：貼附人體式電子皮膚功能示意
資料來源：絡繹學術Online,，中金公司研究部
圖表：機器人電子皮膚研究發(fā)展歷程
資料來源：Fengyuan Liu, Sweety Deswal, et al. Neuro-inspired Electronic Skin for Robots [J]. 2022,，中金公司研究部
在機器人應用中，相較力傳感器,，電子皮膚的優(yōu)勢體現(xiàn)在：1）柔軟可拉伸：一方面,，柔性傳感器可以自由彎曲和折疊，能根據(jù)測量條件進行形變,，提高復雜信號測量的準確性,；另一方面，柔性質(zhì)地增強人與機器人互動時的舒適體驗,。2）觸覺點位增多：力矩傳感器多為單點式,，電子皮膚覆蓋面積增大，實現(xiàn)大陣列式多維傳感,。3）多模態(tài)感知：力傳感的同時實現(xiàn)溫度,、濕度、剪切力等多模態(tài)感知,，更形象地模擬觸覺,，優(yōu)化機器人感知和應變能力。4）交互體驗升級：力矩傳感器以感知功能為主,，電子皮膚則承擔感知與交互雙角色,，可以識別人體交互意圖、滿足非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的交互需求,、強化安全性,。
技術難點：結(jié)構(gòu)和材料設計，遷移至規(guī)模量產(chǎn)仍需時間
電子皮膚結(jié)構(gòu)與材料設計仍停留在實驗室階段,。研究人員著力攻克的難點在于感知性能提升,、材料優(yōu)化、高密度傳感集成等方面,，且過往研究大多集中在一個細分方面,，技術成熟度不足,。
? 從感知性能來看，電子皮膚的關鍵技術參數(shù)包括靈敏度,、量程,、響應速度、線性度,、分辨率等,。其中，靈敏度為研究關注度更高的參數(shù),，以電容式傳感器為例,，由于傳感結(jié)構(gòu)中柔性材料可壓縮程度有限，壓力達到一定程度后,，柔性材料發(fā)生結(jié)構(gòu)硬化，導致靈敏度下降幅度較大,，針對于此,，學界研究在不斷探索設計微結(jié)構(gòu)以提升靈敏度，并同時增大量程,。
? 從材料優(yōu)化來看,，材料要解決器件兼容性問題，還要配合靈敏度,、響應速度等要求更改配比,；還需要通過厚度、自愈能力等設計綜合提升壽命,，其中,，自愈能力為實驗室的一大研究方向，基于彈性體,、水凝膠,、離子凝膠等材料的電子皮膚即使遭受一定破壞也可以恢復傳感功能，可以延長材料的使用壽命,。
? 從高密度傳感器集成來看,，機器人應用電子皮膚的核心訴求之一是擁有高密度觸覺反饋，并需要減少多器件間的干擾,。學界在不斷突破,，斯坦福大學鮑哲南團隊在2021年實現(xiàn)了在0.238平方厘米上集成超1萬個可拉伸晶體。此外,，多模態(tài)傳感器的加入進一步增加了設計和生產(chǎn)難度,。
圖表：電子皮膚提升感知性能需要解決的技術矛盾
資料來源：《從數(shù)字新基建到機器人電子皮膚》（郭士杰，2023）,；Ningning Bai, Liu Wang, et al. Graded intrafillable architecture-based iontronic pressure sensor with ultra-broad-range high sensitivity [J]. 2020,；中金公司研究部
從1到N,，難點在于：1）組裝至機器人方面：傳感元件高密度化給布線和算法設計帶來難度，電子皮膚貼合性需要傳感器廠商和機器人本體廠商耗費大量成本進行測試與磨合,。2）穩(wěn)定性方面：實驗室制作的成品以人體皮膚貼片為主,，環(huán)境較為溫和，研究成果對部分機器人作業(yè)環(huán)境遷移性較差,，無法保證材料的穩(wěn)定性,。3）生產(chǎn)方面：電子皮膚的大面積和穩(wěn)定生產(chǎn)缺乏經(jīng)驗，大批量生產(chǎn)的成本可行性不足,。
商業(yè)化進展：柔性壓力傳感器廠商先行,，機器人場景想象空間充足
2023年國內(nèi)機器人電子皮膚催化劑重重。1）政策端：《北京市機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動方案（2023-2025年）》提出要探索電子皮膚等新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應用,。2）產(chǎn)業(yè)端：機器人廠商對電子皮膚紛紛展開測試和應用,，例如，越疆機器人在2023年6月通過驗收的“高性能智能協(xié)作機器人”項目中就有電子皮膚自主導納控制的人機交互技術,。機器人將帶動柔性傳感器放量,。
在電子皮膚領域，除了斯坦福大學,、加州大學,、新加坡國立大學、中國科學院等主要團隊在進行實驗室探索外,，不少廠商也開始蓄力研發(fā),。由于大面積的電子皮膚技術仍未成熟，市場上相對較為活躍的賽道大致可分為兩類：
? 電子皮膚貼片,。美國企業(yè)Vital Connect研發(fā)出可穿戴式生命體征監(jiān)測設備,，國內(nèi)企業(yè)Rotex研發(fā)出可以用于透皮給藥導入、力學信號柔性傳感的電子皮膚,。據(jù)IDTechEx預測,，2033年全球電子皮膚貼片市場將超過270億美元。
? 柔性壓力傳感器,。市場上主要供應商包括美國企業(yè)Interlink,、Tekscan，國內(nèi)僅能斯達等少數(shù)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化水平較高,。Tekscan的FlexiForce系列柔性傳感器為壓阻式傳感器,，厚度僅8密耳，可以感應到僅5公克的輕觸,，以官網(wǎng)售價計算的傳感器單價在9.46美元至51.26美元之間,。
圖表：Tekscan柔性傳感器產(chǎn)品
資料來源：Tekscan官網(wǎng)，中金公司研究部
電子皮膚手套或成為人形機器人落地的產(chǎn)品方向,。囿于技術進展和人形機器人的售價要求,，我們認為電子皮膚手套可能為更早落地的產(chǎn)品方向,。Tekscan已推出主要用于人體工程學產(chǎn)品設計的手套型Grip系統(tǒng)，沿著類似思路,，我們認為隨著材料的進步和降本,，機器人末端可以佩戴電子皮膚手套，和配套六維力傳感器的靈巧手方案互補,。
圖表：Tekscan的Grip觸覺測量系統(tǒng)
資料來源：Tekscan官網(wǎng),，中金公司研究部
文章來源
本文摘自：2023年7月11日已經(jīng)發(fā)布的《人形機器人前沿系列：力觸覺，牽引感官革命》
郭威秀 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080521120004 SFC CE Ref：BSI157
丁健 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080520080002 SFC CE Ref：BRQ847
王梓琳 聯(lián)系人 SAC 執(zhí)證編號：S0080121060117
張賢 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080523060013
陳顯帆 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080521050004 SFC CE Ref：BRO897
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