人形機(jī)器人產(chǎn)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(zhǔn)地抓握雞蛋，并完成抓取、傳遞等動(dòng)作。最大的亮點(diǎn)在于其每個(gè)手指指尖配置觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)對物體強(qiáng)大的控制、感知和抓取能力，并且能呈現(xiàn)出接觸點(diǎn)的多少及亮度。今天，我們就來探討學(xué)習(xí)觸覺傳感器的原理，市場空間，及國內(nèi)相關(guān)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(jī)器人通過觸覺完成：傳感-感知-決策，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境更好的理解和交互，相較于視覺，觸覺在機(jī)器人對物體的材質(zhì)特征和細(xì)節(jié)信息理解上更勝一籌。

機(jī)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(jī)制，限制了機(jī)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(jī)器人在操作中動(dòng)作不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，交互過程“笨拙”，無法適應(yīng)精細(xì)、復(fù)雜、多變的工作場景。隨著通用型人工智能技術(shù)的發(fā)展和人形機(jī)器人全球發(fā)展的勢能集聚，人形機(jī)器人觸覺感知迎來了應(yīng)用剛需。

觸覺傳感器是機(jī)器人直接感知環(huán)境作用的重要傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)與環(huán)境接觸力、溫度、濕度、震動(dòng)、材質(zhì)、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(nèi)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(zhǔn)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(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，從而實(shí)現(xiàn)對觸覺感知的傳感器產(chǎn)品，具有高靈敏度、高柔韌性、響應(yīng)速度快、延展性高甚至可以自由彎曲折疊等特點(diǎn)。

柔性觸覺傳感器從敏感元件的感應(yīng)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(xì)分產(chǎn)品，占據(jù)大約54.6%的份額。

圖|不同感應(yīng)原理優(yōu)缺點(diǎn)

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(dǎo)體、有機(jī)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(zhì)，材質(zhì)一般為硅橡膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。日本公司XELA Robotics應(yīng)用于機(jī)器人的產(chǎn)品uSkin采用的就是硅橡膠。

柔性觸覺傳感器的價(jià)值較高。根據(jù)文獻(xiàn)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(fèi)812美元

1.2、市場空間

據(jù) QYResearch最新報(bào)告顯示，預(yù)計(jì) 2029 年全球柔性觸覺傳感器市場規(guī)模將達(dá)到 53.2億美元，未來幾年年復(fù)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(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域也獲得了較大的擴(kuò)展，除了智能機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展較快外，柔性觸覺傳感器在工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、消費(fèi)電子、體育器材、紡織行業(yè)、航空航天、環(huán)境勘測等領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用。

全球范圍內(nèi)柔性觸覺傳感器生產(chǎn)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(nèi)主要公司

全球機(jī)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(nèi)觸覺傳感器發(fā)展面臨工藝復(fù)雜、技術(shù)難度高以及成本過高導(dǎo)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(dòng)化技術(shù)的公司，公司創(chuàng)始成員來自于日本早稻田大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室擁有最前沿技術(shù)并發(fā)布了世界上第一款人形機(jī)器人。延續(xù)優(yōu)秀的研發(fā)資質(zhì)，公司擁有行業(yè)一流的機(jī)器人產(chǎn)品及方案，包含多維度觸覺傳感器PX-6AX、消費(fèi)級觸覺傳感器PX-3A、觸覺靈巧手DexH5 以及人形機(jī)器人Tora，為智能制造、康養(yǎng)醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域客戶提供行業(yè)領(lǐng)先機(jī)器人產(chǎn)品和解決方案。

圖|帕西尼觸覺產(chǎn)品

來源：帕西尼官網(wǎng)

2023年，世界機(jī)器人大會(huì)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(jī)器人Tora（觸覺智能人形機(jī)器人）。Tora融合先進(jìn)的視觸覺多模態(tài)感知技術(shù)，雙手表面搭載180余個(gè)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(dá)1000HZ，力控精度高達(dá)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(shí)還能為機(jī)器人提供滑動(dòng)、摩擦、紋理、溫度等額外信息，讓機(jī)器人擁有媲美人類的靈動(dòng)豐富觸覺。

圖|觸覺感知功能解析

來源：帕西尼官網(wǎng)

在傳統(tǒng)三維/六維力檢測的基礎(chǔ)上，安裝在 PX-6AX 上的柔性傳感陣列能額外為機(jī)器人提供滑動(dòng)、摩擦、紋理、溫度等額外信息，使得機(jī)器人能在更豐富多元的場景下完美感知，完成復(fù)雜的自適應(yīng)動(dòng)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(jī)器人手與觸覺傳感器完美集成的產(chǎn)品,借助數(shù)百個(gè)(180)觸覺傳感單元和人工智能算法，DexH5可以實(shí)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(jù)將為眾多領(lǐng)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(jī)器人、計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域帶來了更豐富多樣化的用戶體驗(yàn)，并增強(qiáng)設(shè)備性能，使其進(jìn)一步升級。通過將多維度觸覺傳感器集 成到設(shè)備中，可以讓用戶在使用時(shí)感受到更加真實(shí)、沉浸式的觸覺反饋。

2.2、能斯達(dá)

蘇州能斯達(dá)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(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。公司致力于成為柔性感知產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)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(guān)系，可以測量出壓力大小，可廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、生理健康檢測等領(lǐng)域。產(chǎn)品特點(diǎn)：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(jià)299起。

圖|柔性薄膜壓力傳感器

來源：能斯達(dá)電子產(chǎn)品介紹

ZNS-01 柔性薄膜壓力傳感器可用于機(jī)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(xué)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(fèi)電子和健康領(lǐng)域提供力感應(yīng)技術(shù)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(chǎn)品，服務(wù)于智慧養(yǎng)老、保健康復(fù)等領(lǐng)域。目前公司產(chǎn)品包括薄膜壓力傳感器、陣列傳感器等。

圖|力傳感技術(shù)的工作原理

來源：力感科技官網(wǎng)

2.3.1、力感應(yīng)電阻器

超薄且柔軟的壓力感應(yīng)技術(shù)正在被越來越多的使用，薄膜壓力傳感器由綜合機(jī)械性能優(yōu)異的聚酯薄膜、高導(dǎo)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(wǎng)

2.3.2、壓感材料

底層是柔性薄膜和復(fù)合其上的導(dǎo)電層，頂層是柔性薄膜和復(fù)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(yīng)區(qū)域。

圖|壓感材料

來源：力感科技官網(wǎng)

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(gè)獨(dú)立感應(yīng)區(qū)，感應(yīng)區(qū)的輸出電阻隨外部壓力的變化而發(fā)生相應(yīng)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(shù)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(shí)在北京、成都和常州設(shè)有研發(fā)團(tuán)隊(duì)和市場團(tuán)隊(duì)。

2.4.1、離電子傳感技術(shù)介紹

公司首席科學(xué)家潘挺睿教授團(tuán)隊(duì)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(jī)理-界面離電子觸覺傳感技術(shù)，離電子傳感器采用全新的壓力感應(yīng)原理，通過可形變的離子材料層和柔性導(dǎo)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(shù)參數(shù)全面領(lǐng)先外，離電子傳感可提供實(shí)時(shí)的、高質(zhì)量的、低噪聲的觸覺信號，同時(shí)可擁有全柔性、光學(xué)透明及超薄封裝等特性；其“靈、柔、透、密、廣”的特性使產(chǎn)品在消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域具備獨(dú)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(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器技術(shù)，基于中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所在功能彈性體材料、導(dǎo)電高分子柔性電子器件等領(lǐng)域扎實(shí)的研究基礎(chǔ)，在廣東粵港澳大灣區(qū)黃埔材料研究院成果轉(zhuǎn)化的支持下，突破新型柔性傳感器材料、設(shè)計(jì)、制造、封裝、測試和應(yīng)用等技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)新型微結(jié)構(gòu)傳感器的批量化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.5.1、結(jié)構(gòu)機(jī)理

微結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器主要由微結(jié)構(gòu)基底、導(dǎo)電涂層、采集電極、封裝層組成。

圖|微結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器

來源：埔慧科技官網(wǎng)

微結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器為壓阻響應(yīng)原理，具有表面微結(jié)構(gòu)的材料在受壓時(shí)發(fā)生形變，改變導(dǎo)電層與電極間接觸面積以及接觸電阻，進(jìn)而關(guān)聯(lián)壓力-電學(xué)信號，實(shí)現(xiàn)觸覺感知功能。

2.5.2、柔性傳感器特性

基于表面微結(jié)構(gòu)的新一代柔性壓力傳感器技術(shù)。當(dāng)受力產(chǎn)生壓縮時(shí)，其接觸電阻會(huì)發(fā)生變化。
通過特定的壓力-電阻關(guān)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(yīng)點(diǎn)低至5Pa，量程可定制。響應(yīng)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(jié)構(gòu)可隨意設(shè)計(jì)，以滿足不同場景的不同需求?？芍苽涠嗤ǖ栏呙芏汝嚵袀鞲衅?，最小單元可達(dá)0.5*0.5mm。

2.5.3、定制服務(wù)

根據(jù)具體產(chǎn)品和場景需求定制各類形狀、尺寸的傳感器元器件。

圖|產(chǎn)品尺寸

來源：埔慧科技官網(wǎng)

公司產(chǎn)品的應(yīng)用場景涵蓋測量設(shè)備，觸控交互，醫(yī)療設(shè)備，健康監(jiān)測等領(lǐng)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(yīng)力分布圖像獲取、動(dòng)作識別、人體微信號檢測等方面的需求，為企業(yè)產(chǎn)品實(shí)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(chǎn)和銷售，同時(shí)提供人工嗅覺與壓感解決方案的國家級高新技術(shù)企業(yè)。公司于2014年由具有多年傳感器研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(yīng)的檢測模塊，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于工業(yè)安全，智能家居家電，環(huán)境監(jiān)測，品質(zhì)監(jiān)測，健康醫(yī)療等領(lǐng)域。

公司也在不斷地開發(fā)在人工觸覺領(lǐng)域的應(yīng)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(chǎn)品線更加豐富完善。

2.6.1、壓阻型薄膜傳感器

圖|產(chǎn)品種類

來源：慧聞科技官網(wǎng)

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(wǎng)

三、總結(jié)

柔性觸覺傳感器應(yīng)用空間廣闊，核心技術(shù)壁壘高筑。國內(nèi)廠商通過多年產(chǎn)業(yè)、技術(shù)積累，已經(jīng)涌現(xiàn)出像帕西尼這樣的從觸覺傳感器到觸覺機(jī)器人全產(chǎn)業(yè)鏈公司，還有能斯達(dá)、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(jī)器人的快發(fā)發(fā)展，將驅(qū)動(dòng)觸覺傳感器市場高速增長，加速導(dǎo)入核心客戶，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。