近年来，随着技术的成熟，以及下游人形机器人等产业推动，触觉传感器——尤其是以电子皮肤等为代表的柔性触觉传感器，备受市场关注，发展潜力巨大。
本文来自公众号【信熹资本】，文中深入、全面地介绍了触觉传感器的技术、应用以及当前的发展情况，并介绍了国内外具有代表性的企业信息，是难得较全面介绍触觉传感器产业现状的内容。
本文内容较详细，可按如下小节目录获取对应信息：
一、触觉感知系统
二、触觉传感器
2.1 电阻式触觉传感器
2.2 电容式触觉传感器
2.3 压电式触觉传感器
2.4 电磁式触觉传感器
2.5 光电式触觉传感器
2.6 气压式触觉传感器
2.7 摩擦电式触觉传感器
2.8 其他触觉传感器
2.9 核心指标
三、应用
四、市场概况
五、发展方向
5.1 阵列化
5.2 柔性化
六、技术壁垒
6.1 材料
6.2 制造
6.3 算法
七、相关企业
7.1 Tekscan
7.2 Pressure Profile Systems
7.3 XELA Robotics
7.4 汉威科技
7.5 苏试试验
7.6 弘信电子
7.7 帕西尼感知
7.8 力感科技
7.9 墨现科技
八、前景展望
2023年12月13日，马斯克发布Optimus Gen2介绍视频。Optimus Gen2可以轻松准确地抓取、拿起、放下鸡蛋，中间不会掉下来，左手转右手的整个过程也极为连贯，显示出Optimus Gen2的精准物体操控能力。
此次Optimus Gen2更加强大的一大重点在于感知方面的升级，Optimus Gen2融合最先进的手部传感器，拥有11个自由度的全新灵巧手甚至具备了触觉感知功能，能够轻松地处理鸡蛋等精致物体，通过搭载触觉传感器的灵巧手，在拾起物体时能够呈现可视化的压力分布图像，从拾起物品的动作来看，几乎和人类没有差别。
图1 | Optimus Gen2
（来源：网络）
演示视频中，Optimus 用手指捏起鸡蛋的能力受到广泛关注，机器人用左手的拇指和食指把鸡蛋从纸浆蛋托里拿起来，再用右手的食指和拇指捏住，将鸡蛋稳稳地放到锅里。鸡蛋这种重量轻、质地薄且易碎、表面平滑且易落的物品，对机器人感知系统的识别能力和抓取动作精细度提出了更高的要求。
如果拆解这个动作的技术流程，在几秒钟的时间内发生的取蛋、传蛋、放蛋的过程，背后经历了复杂的技术流程：首先，机器需要通过视觉判断待抓取的物体的物理位置、表面材质、大小，以此选定抓取物品所需力量的初步参数；随后，机器人需要调动机械手靠近物品，并放慢速度进行抓取；抓取过程中，机械手首先需要缓慢抓握物体，同时感受过程中物体的力反馈，并将该信息传递给上位处理器，以此判断是否要继续施力；经过抓握、力反馈、信号处理，再将机械手执行指令信息传回到手指的多轮信号交换之后，机械手最终确定抓握力度，抓住物体并移动。放置鸡蛋的动作，背后同样有很长的计算流程：从判断放置点位置，到机械手松开的幅度调试，其中又将经历获取视觉信息、获取力反馈信息等多轮信息交换。
这种抓取物体的信息处理过程，在工业领域比较简单，因为使用场景的规范性、一致性较好。在一套工业流程中，如果确定了某只机械臂需要完成的任务，则该机械臂的各项工作参数都相对固定。但以服务人类、成为人类工作和生活助手为目标的人形机器人，其面临的应用场景、面对的工作环境与人类的生活环境高度类似：人手接触的物体多种多样，其表面质地、大小、质量都各不相同，而非标准化的工业物件。人每一次拿取动作的背后，都蕴含着复杂的经验——这是人类从婴幼儿时期开始逐渐培养、训练得到的经验。人形机器人正在学习人类的感知过程，像抓取一枚鸡蛋：力气太小，鸡蛋会滑落；力气太大，鸡蛋会被捏破。捏取鸡蛋这样一个简单的工作，需要机器人进行深度学习。这其中的一个关键环节是机器人需要强大的触觉感知能力。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，满足要求的触觉传感器是机器人发展中的关键技术之一。触觉传感器用于模仿触觉功能，是机器人直接感知环境作用的重要传感器，能实现与环境接触力、温度、湿度、震动、材质、软硬等特性的检测。
一、触觉感知系统
触觉是人体重要的感知功能，与视觉、听觉、嗅觉等共同构成了人体的综合信息感知系统，帮助人类认识并理解这个世界。
其中，负责触觉感知的皮肤是人体最大的感知器官，感知的信息种类也最为复杂。触觉包括接触觉、力觉、滑觉、冷热觉等等，通过分布于人体皮肤的各种感受器，将压力、温度、滑移等等外界刺激转化为动作电位传入大脑皮层对应的感知区域，大脑对这些信号进行精细的分析，从而产生触觉认知。通过触觉感知，人类可以识别物体的纹理、形状、轮廓、体积、硬度、材质等特征信息。借助触觉感知系统收集的信号，大脑可以进一步对人体的运动控制系统（包括骨骼与骨骼肌）发出运动控制信号，这一完整的生理反馈机制在人与环境交互的过程中起到了至关重要的作用。
2010年，Piezo蛋白的发现进一步阐明了人体神经细胞对外界机械刺激的传导过程。Piezo蛋白（分为Piezo1、Piezo2）广泛存在于人体各个组织与器官之中，在外界特定的刺激下，以Piezo蛋白为成孔亚基的离子通道打开，允许带正电荷的离子流入细胞。其在人体内的分布与作用机理如下图所示。
图2 | Piezo蛋白在人体的分布及其生理作用
（来源：Wu J等《Touch, tension, and transduction – the function and regulation of piezo ion channels》）
人体的触觉感知系统主要包括皮肤下的四种机械感受器，负责转换不同类型的机械刺激，分别为Meissner小体，感知低频振动力；Merkel触盘，感知静态接触力；Ruffini小体，感知静态切向拉伸力；Pacinian小体，感知高频振动力，如下图所示。
图3 | 人手皮肤中机械感受小体的分布
（来源：Chun S等《An artificial neural tactile sensing system》）
目前，智能机器人主要依靠某种形式的人工视觉技术完成与环境的交互，触觉感知能力的缺失限制了这一类机器人的适用范围。尤其是当存在视野盲区或处于非结构化的动态环境下时，机器人便无法完成需要精确操作的任务。触觉感知能力则能够帮助机器人弥补这一短板，大大提高机器人的灵活性，例如通过检测滑动与表面应力，可以帮助操作一些表面光滑或易碎的物体；通过对本体关节张力的感知，可以调节运动过程中的姿势和动作等。此外，触觉感知技术在人造义肢、人体运动检测、康复医疗等领域也具有广泛的应用前景。
对应人类触觉系统，机器人也需要触觉感知系统，通过接触来测量物体的物理特征，从而实现对周围环境的感知。通过触觉感知，机器人可以感知抓取力度的大小，更精准地抓取物体，此外，还可以引入深度学习，使机器人可以根据触觉信息进一步区分物品的材质和种类。
触觉感知技术的发展起步于20世纪70年代，80年代进入快速增长期，大量新原理被提出，传感器件的研制以及触觉信号的处理也取得了长足的进步。机器人的触觉感知系统可被分为三个环节：
第一层：传感环节。机器人系统中的传感环节，对标人类触觉系统的感受器。由于触觉感知的复杂性和感知场景的不同，传感数据的采集往往是多种传感数据的集合，在收集到传感数据以后，需将物理信号转化为数字信号，借助信号转换器将收集到的信息进行纠偏、补偿、调节，以保证数据真实、准确、稳定，并传输到感知环节。
第二层：感知环节。感知环节主要通过数据分析工具和算法，对数字信号解码、分析、融合，将不同传感数据融合为一个完整、具体的结果。
第三层：动作环节。系统会、构建用于感知交互对象的数据模型和特性模型，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。
图4 | 机器人触觉传感系统的层次功能和结构图
（来源：朱盛鼎《触觉传感器与电子皮肤研究进展》）
触觉传感器本质上是一种基于材料的电学或机械性质，能够感知物体表面触摸和压力变化的传感器。触觉传感器采集系统能够直接获得，由于力的加载而使触觉传感器产生弹性形变，进而使得触觉传感器的阻值变化而产生的电压信号，并能对获取的信息进行实时显示。触觉传感器通过检测物体与传感器之间的电学或机械变化，实现对触摸、压力或形状的感知，广泛应用于触摸屏、机器人、医疗设备等领域，为人机交互和自动化系统提供了重要的信息输入手段。
图5 | 机器人触觉传感器工作原理
（来源：何慧娟《柔性触觉传感器在机器人上的应用综述》，朱宏伟《触觉传感器的现在与未来》）
触觉传感器主要应用于四个方向：
（1）通过模拟皮肤中的神经传导，实现假肢对触觉的模拟，创造出电子皮肤。
（2）赋予工业机器人手腕的触觉，时刻感受施加的力。
（3）应用于仿生机器人，代替人类进行危险操作，获取相应感知数据。
（4）柔性触觉传感技术的发展使得触觉传感器应用范围进一步扩大。
近年来，学界和业界开始探索多模式和新型触觉传感器，以提升感知性能并降低生产难度。多模式触觉传感器融合多种传感技术，集成电气接口并优化制造流程，以实现多阵列单芯片。同时，新型传感器的出现也推动了触觉传感技术的发展。
二、触觉传感器
按触觉感知的功能分类，触觉传感器可以大致分为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、压觉传感器、滑觉传感器。按触觉感知的实现机理分类，触觉传感器可以大致分为电阻式、电容式、压电式、电磁式、光电式、气压式、摩擦电式等。
2.1 | 电阻式触觉传感器
电阻式触觉传感器的工作原理是，材料的电阻率在施加的外部机械刺激下发生变化，即压阻效应。由于设备结构简单、检测范围宽、成本低等特性，电阻式触觉传感器已经得到了广泛研究，然而其工作时所需的高功耗也限制了一些应用领域。常见的压阻材料包括压阻晶体、金属应变片、复合压阻材料。
图6 | 电阻式触觉传感器
（来源：《触觉传感器与电子皮肤研究进展》）
压阻晶体通常是指具有压阻效应的半导体材料，如硅（Si）、碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT）、石墨烯、二硫化钼（MoS2）、α-硒化铟（α-In2Se3）等，将上述材料用作压阻式触觉传感器的敏感单元，当受到外界压力时，其内部结构将发生改变，从而实现了触觉感知功能。我国哈尔滨工业大学Wei等人通过化学气相沉积的方法制备了基于二维α-In2Se3的应变传感器阵列，如下图所示。该传感器阵列具有约 500μm 的高空间分辨率，同时表现出高的灵敏度和出色的机械稳定性。
图7 | 电阻式应变传感器阵列
（来源：Feng W等《Sensitive electronic-skin strain sensor array based on the patterned two-dimensional α-In2Se3》）
与压阻晶体类似，金属应变片也常被用于电阻式触觉传感器的制作中，其电阻值与体积变化直接相关。常见的金属材料包括金属（Au、Ag、Pt、Al 等）薄膜、纳米颗粒、纳米线等，相比于其他的材料，金属材料具备更优异的导电性能，因此也可以用作柔性触觉传感器的活性层。弹性材料通常用作金属应变传感器的基底，当基底变形时，触觉传感器的电阻相应地发生改变。
韩国首尔国立大学 Kang 等人受蜘蛛腿部狭缝器官启发，设计了一种具有纳米级裂缝的铂金属应变传感器，如下图所示。该传感器具有优异的可逆性、可重复性、耐用性和机械柔性，能够检测到 10nm 的振幅运动，可作为电子皮肤安装于人体使用，并可用于需要超高位移灵敏度的应用场景中。
图8 | 受蜘蛛感觉系统启发的超机械敏感纳米级裂纹应变传感器
（来源：Kang D等《Ultrasensitive mechanical crack-based sensor inspired by the spider sensory system》）
近年来，由于具有良好的柔韧性、可调节的压力敏感性，复合压阻材料得到了广泛的研究。复合压阻材料种类繁多，常见的有水凝胶、全生物降解塑料（Ecoflex）、聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、聚氨酯（Polyurethane，PU）等。复合压阻材料的电阻变化可归因于材料内部填充物在施加压力时导致导电通路的断裂和再生。
当下，复合压阻材料被认为是最有前途的压阻材料，一方面是其具有高灵敏度和循环稳定性，另一方面，是其在材料选取和结构设计上有了更多的选择。比如，南丹麦大学 Drimus 等人设计了一种基于压阻橡胶的柔性触觉传感器阵列，并将其应用于机械手上对物品进行抓取分类，如下图所示。该传感器可进一步应用于机器人中用于获取目标物体表面硬度、纹理等信息，从而实现对物体的软抓取功能。
图9 | 触觉传感器用于机械手抓取物品
（来源：Drimus A等《Design of a flexible tactile sensor for classification of rigid and deformable objects》）
2.2 | 电容式触觉传感器
电容式触觉传感器是基于平行极板电容器的原理，通过外力作用改变两极板之间的相对位置，从而导致两极板之间电容发生变化，进而实现触觉检测功能。因其具有结构简单、功耗低、温度独立性等优点，已经成为柔性触觉传感器中最常用的类型之一。然而，它们非常容易受到电磁干扰的影响，并且需要复杂的测量电路。
图10 | 电容式触觉传感器
（来源：《触觉传感器与电子皮肤研究进展》）
电容式触觉传感器通常通过在两个平行电极之间夹入介电层来制造。电容式触觉传感器的介电层一般为弹性体材料，通常在介电层上下表面使用金属薄膜做导电电极。为进一步提升金属薄膜的有效变形，由氧化铟锡（ITO）、石墨烯、碳纳米管或金属纳米线等制成的网状结构电极已经得到了广泛的研究。An等人使用超长金属纳米纤维和更细纳米线的混合纳米网状结构作为电极，设计了一种灵活、透明的电容式指纹传感器阵列，如下图所示。研究表明，使用该金属纳米结构网格电极时，输出电容变化量是使用传统ITO电极时的17倍。
图11 | 多路电容式指纹传感器阵列
（来源：An B W等《Transparent and flexible fingerprint sensor array with multiplexed detection of tactile pressure and skin temperature》）
为有效提升电容式触觉传感器的灵敏度，可选择具有微米或纳米结构的PU、聚酰亚胺（Polyimide, PI）、PDMS、Ecoflex等材料用于介电层，一方面这些材料的弹性模量比较小，另一方面搭配使用微米或纳米结构，可以对于传感器的柔性和灵敏度有较大的提升。
我国南方科技大学Wan等人仿生荷叶表面微结构制备了一种具有微塔状阵列的柔性电容式触觉传感器，微结构衬底由PDMS组成，并在上面覆盖银纳米线作为电极层，整体装置如下图所示。该传感器表现出1.2kPa-1的高灵敏度、<0.8Pa的检测限、36ms的快速响应时间，同时具有很高的鲁棒性，可在100000次循环测试下保持稳定输出。有限元分析表明，具有高深宽比的微塔状结构基底是实现以上性能的关键。
图12 | 仿生荷叶表面微塔状结构的电容式触觉传感器
（来源：Wan Y等《A highly sensitive flexible capacitive tactile sensor with sparse and high‐aspect‐ratio microstructures》）
因为具有优异的性能，电容式柔性触觉传感器已被应用于机器人智能感知及软抓取领域。韩国高等科学技术学院Kwon等人提出了一种柔性压力触觉传感器，敏感单元采用具有微孔结构的弹性体材料，如下图所示，该传感器具有较高的灵敏度和宽的压力感知范围，可应用于机器人手指上用于软抓取灯泡等易碎物品。
图13 | （a）电容式压力传感器，（b）软抓取灯泡
（来源：Kwon D等《Highly sensitive, flexible, and wearable pressure sensor based on a giant piezocapacitive effect of three-dimensional microporous elastomeric dielectric layer》）
2.3 | 压电式触觉传感器
压电式触觉传感器的基本原理基于压电效应。外界施加压力的大小可以通过测量传感器的输出电压进行检测。压电式触觉传感器往往具有灵敏度高、频响范围宽以及工作性能稳定等优势，但同时也存在噪声干扰、难以检测静态压力的问题。
图14 | 柔性复合压电式触觉传感器
（来源：Shin S H等《Ferroelectric zinc oxide nanowire embedded flexible sensor for motion and temperature sensing》）
常见的压电材料可分为无机压电材料、有机压电材料。传统的无机压电材料以石英晶体、钛酸钡（BaTiO3）、氧化锌（ZnO）、锆钛酸铅压电陶瓷（Piezoelectriceramic transducer, PZT）等为代表。
美国伊利诺伊大学Dagdeviren等人通过PZT无机压电材料作为敏感单元制备了一种可用于人体脉搏监测的柔性压电触觉传感器阵列，如下图所示。该装置具有高灵敏度、低滞后性和优异的鲁棒性。通过PZT压电单元与场效应晶体管相结合，将电压转换成电流输出，将该装置安装在人体皮肤上，可用于测量动脉脉搏压力波和评估与讲话有关的喉咙的细微运动。然而，该传感器阵列的制作工艺复杂，导致其制作成本较高，并不适用于大范围的应用领域。
图15 | 基于PZT压电单元的压电触觉传感器阵列
（来源：Dagdeviren C等《Conformable amplified lead zirconate titanate sensors with enhanced piezoelectric response for cutaneous pressure monitoring》）
传统的无机压电材料具有较高的压电系数，因此已经被广泛用于各种领域，然而其具有易脆性，这一特点使其难以满足一些可穿戴式触觉传感器中的高柔韧性要求。因此，一些新型的有机高分子压电材料出现在人们的视野中，其中以PVDF和其共聚物等为代表。PVDF压电材料具有柔性好、频响宽、介电常数低、抗腐蚀性等优点，且很容易形成大范围内的薄膜，已经被广泛应用于柔性压电触觉传感器中，同时被认为是最有前途的压电材料之一。
我国太原理工大学Guo等人基于PVDF压电材料制备了一种可用于多重动态监测的柔性蛇形自供电触觉传感器，如下图所示。该传感器通过对PVDF材料进行设计和剪裁，形成具有大面积感知的蛇形布局，已被验证可应用在人体关节弯曲检测方面，同时还可以用来感知外界环境中的振动行为。由于PVDF材料自身压电系数较低，因此该传感器的灵敏度相对较低。
图16 | 基于PVDF的柔性蛇形自供电传感器
（来源：Guo R等《A self-powered stretchable sensor fabricated by serpentine PVDF film for multiple dynamic monitoring》）
为了进一步提高PVDF压电传感器的灵敏度，研究人员将无机压电材料与PVDF相结合，研制具有高灵敏度和优异柔韧性的压电传感器。我国四川大学陈胜教授团队将BaTiO3纳米粒子与PVDF材料相结合，通过静电纺丝技术制备了同时具有优异柔性和高灵敏度的压电压力触觉传感器，将 BaTiO3纳米粒子引入到PVDF基体中，有效提高了PVDF的压电性能，同时进一步提升了材料的断裂伸长率。
2.4 | 电磁式触觉传感器
电磁式传感器基于霍尔效应研制。霍尔效应是指，将一块外接电源的导电材料，一般为半导体材料，放入与电流方向垂直的磁场中时，流动的载流子在磁场作用下发生偏移，在与磁场和电流垂直的方向上产生电势差，如下图（a）所示。电磁式传感器通常需要将霍尔传感器、弹性基底或支撑材料与磁性材料集成。在外力作用下磁性材料位移或形变，从而使磁场发生改变，通过霍尔传感器检测到的磁通量变化反映外力的大小与方向。英国利兹大学的Jones等基于这一原理开发了一种柔性触觉传感器（下图（b）），并将其集成到手部夹板上，实现了检测多个维度接触力的功能。霍尔式触觉传感器具有宽动态响应范围的优势，但通常需要较大的体积，并且容易受到外界杂散场噪声的影响。
图17 | 基于霍尔效应的电磁式触觉传感器。（a）霍尔效应原理；（b）Jones等开发基于霍尔效应的触觉传感器
（来源：a）网络资料；（b）Jones D等《Design and evaluation of magnetic hall effect tactile sensors for use in sensorized splints》）
2.5 | 光电式触觉传感器
光电式触觉传感器基于光发射器和光电检测器的组合，其中光电检测器测量由外部压力引起的光的强度或波长的变化。英国伦敦国王学院Hui等人提出了一种基于像素的光纤式触觉传感器阵列，可用于测量法向力，如下图所示。该传感器阵列可与微创手术操作工具集成，并兼容磁共振技术。当受到外界压力作用时，接收光纤中的光强度发生变化，经由反射镜系统再通过摄像系统读出光强的变化，以此检测外界压力大小。
图18 | 光电式触觉传感器
（来源：《触觉传感器与电子皮肤研究进展》）
虽然光电式触觉传感器通常表现出高分辨率，但是集成复杂性和用于光产生的大功耗限制了它们的应用。
2.6 | 气压式触觉传感器
气压式触觉传感器通过在一个软体密封气囊内部集成一个气压敏感单元来实现对触觉信号的感知。如下图所示，当接触力使得传感器的软体气囊发生变形时，气囊内部气压会发生改变，通过检测气压的变化可以实现对接触力的测量。气压敏感单元可以采用电阻式或电容式的压力传感器。因此，气压式传感器的实质是在电阻式或电容式传感器的基础上引入密封气囊，将传感器直接接触的力转换为气压，以获得更好的响应性能，或更适配应用场景的需求。例如在微创机器人上集成气压式触觉传感器，可以使其表面更加柔软，在与病患伤口接触时减少可能造成的伤害。
气压驱动式执行器是软体机器人领域的研究热点，将气压式传感器与气动式软体机器人结合，可以用于研制高集成度的软体智能机器人。并且由于气压式传感器相对柔软的质地，更适合集成到机器人表面，用于与人类的安全交互或者处理易碎的物体。
英国牛津大学的Shorthose等制备了一种集成了18个气压式触觉传感器的软体机械手，如下图(b)所示。机械手的整体制造通过3D打印完成，大大简化了制备流程。其运动通过对手掌内的气腔施加负压来控制，可以获得最大6.42N的抓握力。机械手表面集成的分布式传感单元可以实时检测抓取的物体以及做出的手势动作。由于软体密封气囊的存在，气压式传感器存在难以大规模装配的缺点。
图19 | 气压式触觉传感器：（a）气压式触觉传感器原理；（b）集成气压式传感器的软体机械手
（来源：（a）Levins M等《A tactile sensor for an anthropomorphic robotic fingertip based on pressure sensing and machine learning》；（b）Terryn S等《Self-healing soft pneumatic robots》）
2.7 | 摩擦电式触觉传感器
摩擦电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）基于静电和摩擦起电效应，于2012年被提出。由于其结构简单、易于制作、可扩展性强，因此在传感器和换能器领域具有重要的应用价值。TENG 产生的电压受两种材料之间接触面积变化的影响，所以TENG可以用作触觉传感器。
王中林院士团队于2016年制备了一种自供电摩擦电式传感器阵列，该传感器阵列可以进行实时的触觉关系映射，如下图所示。该传感器阵列选取PDMS聚合物材料，基于单电极模式，具有高分辨率（5dpi）、出色灵敏度（0.06kPa-1）、长期稳定性，可实时绘制单点及多点的触觉刺激，并在智能机器人、人机交互界面等领域展现出巨大的应用前景。类似于压电式触觉传感器，摩擦电式触觉传感器的输出信号取决于施加压力的幅度和频率，因此适合用于检测动态压力。
图20 | 摩擦电式触觉传感器阵列
（来源：来源：Wang X等《Self‐powered high‐resolution and pressure‐sensitive triboelectric sensor matrix for real‐time tactile mapping》）
上文介绍了几种常见的用于实现触觉感知的机理，下表比较了不同机理的优缺点。在实际工作环境下，由于触觉信息多维复杂性，以及不同应用场景对传感器灵敏度、动态响应范围、响应时间、最小分辨力等参数的具体需求存在差异，合适的机理、实现路径的选择，对触觉传感器的研制至关重要。
表1 | 不同触觉感知机理的优缺点
（来源：朱宏伟《触觉传感器的现在与未来》，《Multi-parameter e-skin based on biomimetic mechanoreceptors and stress field sensing》Chao Shang 等）
2.8 | 其他触觉传感器
除了以上介绍的几种触觉感知机理外，基于柔性介电层和半导体沟道材料的有机场效应晶体管（Organic Field Effect Transistor, OFET）结构也可用于实现触觉感知。斯坦福大学的Schwartz等使用一种新型聚合物PiI2T-Si（Polyisoindigobithiophene-siloxane）作为半导体沟道，PDMS薄膜作为介电层，开发了一种具有压力敏感性质的柔性 OFET。该器件达到了8.4kPa-1的压力灵敏度，小于10ms的响应时间，超过15000次循环的稳定性、低于1mW的功耗。晶体管型传感器的制备需要高性能的柔性半导体，并且结构较为复杂，因此研制具有一定的难度。晶体管在柔性触觉传感领域也可用作电阻式或压电式传感器的信号放大器，以获得更好的响应性能。此外，晶体管作为一种基础电子元器件，研制具有可拉伸性、在形变时能够保持电学性能的柔性晶体管，对于柔性电子技术的发展也有着重要意义。但需要注意的是，基于晶体管阵列的柔性电子皮肤类器件，由于工艺与光刻不兼容，其分辨率远低于刚性硅基集成电路的水平。并且工艺复杂、成本高、难以大范围规模化制备，有待进一步的研究以提高其分辨率，并降低制造成本。
人体皮肤除了分布有能够响应机械刺激的触觉受体，还存在能够感受冷热知觉的温度受体。因此温度感知也是传感器研究领域的一个重点。温度传感器的主要机理有电阻式、热释电式。电阻式温度传感器的主要材料包括金属（如铜 Cu、铂 Pt、金 Au 等）、金属氧化物（如氧化镍、NiO）、有机聚合物（聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸），Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-poly (styrenesulfonate)，PEDOT:PSS）复合材料、石墨烯等。热释电效应的机理与压电机理类似，温度的升高导致热释电材料体积膨胀，从而改变其残余极化，最终在晶体表面产生相反的束缚电荷。已发现具有热释电效应的材料包括压电陶瓷(PZT、LiTaO3、LiNbO3等)、聚合物（PVDF、P(VDF-TrFE)）。温度传感器的研制重点在于，传感器应当具有一定程度的形变适应能力，同时抑制机械刺激对温度信号的干扰。基于金属薄膜的温度传感器本身不具备可拉伸性，但通过结构工程，制备具有波纹结构或马蹄形弯曲结构的金属薄膜，则能够适应一定程度的拉伸。温度传感器作为模拟人体皮肤中温度受体的重要元器件，在成熟的“电子皮肤”系统中是不可或缺的存在。然而，如何在大面积集成化的“电子皮肤”器件中降低物理变形对柔性温度传感器信号产生干扰仍然是一个难点。
三维力检测是触觉传感领域的一项重要技术。接触力的测量是触觉传感技术中最重要的领域之一，而力本身作为矢量，包含大小和方向两个维度的信息。在实际测量中，通常将三维力分解为两个分量，即垂直于接触面的法向分量与平行于接触面的切向分量。目前大多数柔性触觉传感器方面的研究更加关注法向力，也即正压力的测量，而对接触力的切向分量相对研究较少。三维力的法向分量与切向分量在实际应用场景下具有不同的物理意义。例如，当智能机器人的机械手抓取物体时，法向力代表机械手对物体施加的握力，切向力则代表物体对机械手的接触表面施加的滑向摩擦力。如果切向力小于物体滑动的最大静摩擦力，则代表此时可以稳定抓握。反之，当切向力大于最大静摩擦力时，物体就会滑落，导致无法稳定抓取。
三维力的测量，通常需要由多个力敏感单元协同完成。三维力传感器通常被设计成多个具有一维力检测的传感单元以特定方式排列。以单个一维传感单元的信号为基向量，对单元信号进行解耦运算，得到三维力的信息。因此，三维力传感器的研究包含两个方面的内容，一是传感器的结构设计，二是力的解耦方法。 一种常见的三维力传感器设计思路是，在柔性的平面衬底上分布多个敏感元件，然后在敏感元上方放置一个立体的凸起结构，以引导三维力在敏感单元上产生差异化信号，由此实现对力的大小和方向的测量。
2.9 | 核心指标
触觉传感器的核心性能指标是抗干扰能力、精度。触觉传感器需要具备强大的抗干扰能力，以确保其在噪声、电磁干扰或其他外部影响下仍能准确感知和传输数据。精度是指触觉传感器测量结果与实际情况之间的接近程度，高精度的触觉传感器能够提供准确、可靠的触觉信息。比如，压电和电容式灵敏度高，但抗干扰能力较弱，噪音会比较大，误触的风险会非常高。
三、应用
触觉传感器最直接、最重要的应用之一是电子皮肤。
图21 | 电子皮肤
（来源：网络）
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、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。
图22 | 人类皮肤与电子皮肤对比
（来源：《The Evolution of Electronic Skin(E-Skin): A Brief History, Design》）
电子皮肤的主要构成如下表所示。灵活的基底层使电子皮肤可以适应各种形状和表面，高度灵敏的传感器层为电子皮肤提供了类似于人类皮肤的感觉能力，集成的电路和处理器确保了数据的准确处理和传输，能源供应系统保证设备的持久运行，保护层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。
表2 | 电子皮肤的主要构成
（来源：Chao Shang 等《Multi-parameter e-skin based on biomimetic mechanoreceptors and stress field sensing》）
为了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，电子皮肤需要高质量的传感器层。
压力感应：压力传感器是电子皮肤的核心部件之一，能够在受到外部压力时产生电信号，并进一步被转换为数字信号，以量化接触的强度和位置。
温度和湿度检测：电子皮肤还需要集成温度和湿度传感器。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。
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、摩擦电式传感器各具特点，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。
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。
图23 | 触觉传感器与电子皮肤
（来源：网络）
比如近几年出现的柔性电阻式压力传感器，因其出色的柔韧性、可伸展性、高导电性，正在展现巨大的潜力。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。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时，表现出了优异的性能，且可以微调以实现双参数传感而不互相干扰，使它们特别适合于制造柔性电阻式压力传感器。
四、市场概况
触觉传感器作为人形机器人、可穿戴设备等新兴领域发展的底层支撑技术，具有广泛的应用前景。我国更深入地参与全球产业链，更为触觉传感器在本土崛起提供了有力的市场土壤。在 3D 打印、电子印刷、微机械加工等制造工艺方面显著进步的基础上，触觉传感器迎来全新发展机遇。
根据Verified Market Research的预测，2020年全球触觉传感器市场规模为112.5亿美元，而到2028年，预计将达到260.8亿美元。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，份额超过 15%。
图24 | 全球触觉传感器市场规模
（来源：Verified Market Research）
海外厂商凭借其先进的制造技术、丰富的研发经验、全球化的市场布局，在市场份额上占据显著优势地位。全球触觉传感器市场的主导企业包括Tekscan、Pressure Profile Systems、Sensor Products Inc.、Weiss Robotics、SynTouch、Tacterion GmbH等多家企业，2021年前3家头部企业合计市场占有率约为 65%，2022年前5家企业合计市占率达76%。
图25 | 触觉传感器全球市场份额，左2021 年，右2022年
（来源：QY Research）
五、发展方向
5.1 | 阵列化
触觉传感器的接触面积越大，获得的信息量越大。机器人需要的是高精度、高分辨率、高速响应、能任意分布的触觉传感器，能具有大面积的敏感性来准确地感知丰富的触觉信息和它的分布，同时还需要提供足够的测量范围和空间分辨率，这就需要利用多个触觉敏感单元组成触觉传感器阵列。具备数据处理功能的阵列触觉传感器可部分或全部覆盖于机器人体表面，目的就是使机器人能够准确地感知并获得触觉信息。
图26 | 触觉传感器阵列
（来源：《大面积、高密度的有源驱动触觉传感器阵列》）
单位面积内，触觉阵列单元越多，测量精准度越高。单个触觉传感单元检测到的信息非常有限，无法满足高精度测量的需求，因此需要将触觉传感单元阵列化，以获得足够多的信息。当电阻式触觉传感器阵列工作时，每个单元受到外部作用力，对应的上、下电极层通过中间的压阻材料导通，此时压阻材料的电阻随外部压力的变化而改变，后续信号处理电路根据电阻大小计算出对应传感单元受力大小，根据传感单元受力的位置信息，可进一步得到接触物体的信息。在触觉传感阵列中，单位面积内的传感单元数量越多，触觉传感的分辨率越高，获得的物体信息越准确。
图27 | 指尖的触觉传感器阵列
（来源：周聪等《基于触觉传感器阵列的机械手抓取分类方法研究》）
5.2 | 柔性化
触觉传感器柔性化能够更好适用于不规则的表面和复杂的环境，提升精确度。由于柔软性质，触觉传感器可以更好地贴合和适应曲面、曲线或不规则形状的物体，从而提高了传感器的适应性和可用性；同时可以更直接地与目标表面接触，而不会因为僵硬结构而导致信息的丢失或失真。柔性材料通常比硬性材料轻巧，因此柔性触觉传感器可以带来更轻量、更灵活的设计，且柔性材料通常更具有耐用性，能够更好地承受多次弯曲和变形，而不会受到损坏。
六、技术壁垒
6.1 | 材料
柔性材料快速迭代推动触觉感知能力提升。柔性材料具有理想的接触表面特性和可伸缩性，因此利用这些特性制作的触觉传感器具备柔软性好、耐久度高、更易贴合物体等优势。
柔性触觉传感器对材料的要求较为严格，耐用度、分辨率成为评判这类触觉传感器是否能够商用的重要指标。为了满足机器人对弯曲、挤压、扭转等形变的精确触觉感知，PDMS、PET、PI、PVDF 等聚合物材料被用来制造传感器的柔性基底，显著提高了传感器的柔性，合理的材料配比也可以增加柔性；同时通过优化结构设计，如网状、波纹状、岛桥等结构，也可提高触觉传感器的柔性。
图28 | 柔性触觉传感器的结构
（来源：力感科技）
6.2 | 制造
制造的主要难点是降本困难、大规模部署挑战性强。目前，国内外高校实验室在单个阵列式触觉传感单元的灵敏度、分辨率、柔弹性等研究方面已经取得了显著的突破，然而在成本、拼接、串扰等方面的挑战需要进一步突破。高端触觉传感器价格昂贵，导致大面积部署的成本相对较高。此外，触觉传感器在扩展后需要大量走线，这不仅增加了部署的复杂性，还可能影响测量环境和电路，对测量结果的一致性构成挑战。基底材料、触感材料的拼接，以及电子电路的连接，也为测量过程引入了更多未知的干扰，可能导致测量数据失真。
6.3 | 算法
触觉传感器测量涉及多物理量，图形处理系统和算法完成传感器的纠偏和标定。相比传统传感器，阵列式触觉传感器在一次测量中可能涉及六维力、温度、硬度等多种物理量，而集成式触觉传感器中，单体触觉感知单元的信号之间可能产生相互干扰。因此，相较于其他传感器，触觉传感器的标定机制更为复杂。传统触觉标定采用数学模型来计算物理量，然而在需要高精度、存在强干扰、多变量的物理量标定场景中，数学模型可能变得异常复杂，精度也并不能始终得到保证。因此，建立触觉传感器的标定数据库，并通过图形处理系统和AI算法来进行触觉传感器的纠偏和标定，不仅可以提高标定的效率，而且更适用于复杂场景、高要求的触觉传感器标定。
图29 | 触觉传感器标定算法
（来源：帕西尼感知科技）
七、相关企业
触觉传感器市场的世界领先企业有Tekscan，Pressure Profile Systems，Sensor Products Inc.，Weiss Robotics，SynTouch，Tacterion GmbH等。这些顶级公司目前占总市场份额的71％以上，并有望在中短期内保持其在市场上的主导地位。
国内企业中，能斯达、帕西尼传感、力感科技等诸多公司有触觉传感器生产布局，但均处于早期。
7.1 | 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。
图30 | Tekscan触觉传感器产品
（来源：Tekscan官网）
7.2 | Pressure Profile Systems
Pressure Profile Systems是一家专业从事触感测量和映射技术的公司，它提供了多种传感器系统，可以用于各种应用领域，如医疗、机器人、消费品、教育等。该公司的产品包括：
（1） FingerTPS：一种触感指套，可以量化人手触感，无论手中的物体是静止还是运动，都能灵敏地感知皮肤触觉并量化出来。
（2） TactArray：一种灵活的压力传感器阵列，可以测量和映射任何形状的表面的压力分布，适用于各种形状和尺寸的物体。
（3） Chameleon：一种可穿戴的压力传感器手套，可以测量和映射手部和物体之间的压力分布，适用于机器人、虚拟现实、游戏等领域。
（4） Esophagram：一种用于食管功能评估的压力传感器系统，可以提供食管内的压力图像，帮助医生诊断和治疗食管疾病。
7.3 | XELA Robotics
XELA Robotics是日本早稻田大学的子公司，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31 | XELA Robotics触觉传感器示意图
（来源：XELA Robotics公司官网）
7.4 | 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。
汉威科技的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。
图32 | 能斯达传感器产品
（来源：汉威科技微信公众号）
7.5 | 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。
7.6 | 弘信电子
弘信电子专注于柔性电路板（FPC）产业，是国内技术领先、产量产值居前、综合实力一流水平的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。
弘信电子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。
7.7 | 帕西尼感知
帕西尼感知的核心技术力量来自日本早稻田大学机器人实验室，致力于研发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。
图33 | 帕西尼技术体系
（来源：帕西尼感知官网）
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，这些产品构建起完整的机器人解决方案体系。帕西尼感知的触觉传感器，在多项性能指标上处于业内领先水平，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。
图34 | 帕西尼多维触觉传感器PX-6AX
（来源：帕西尼感知官网）
7.8 | 力感科技
深圳市力感科技有限公司致力于成为力感应技术方案的领导者，作为一家中国科学院孵化的创新型企业，依靠科学家们丰富的传感器、软件、算法等专业知识，为消费电子和健康领域提供力感应技术的解决方案。凭借在设计与研发、材料科学、硬件、软件开发和供应链管理的专业知识，除了提供传感器和模组，力感科技还提供集成传感器的数据采集、算法和数据可视化解决方案。
图35 | 力感科技传感器产品
（来源：力感科技官网）
7.9 | 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，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。
图36 | 墨现科技FLX系列薄膜压力传感器
（来源：墨现科技官网）
八、前景展望
目前能够供应高端阵列式触觉传感器产品的厂商基本为国外厂商。作为触觉传感技术领域的后来者，我国在高端触觉传感器的研发、制造、应用、市场等方面，跟传统触觉传感器强国相比均处于明显弱势地位。
进口阵列式触觉传感器价格昂贵，不适宜进行大面积部署，进一步阻碍了触觉传感相关产品的研发和推广。因此，实现国产替代并推出工业级、消费级的阵列式触觉传感器迫在眉睫。
国内目前已有汉威科技、力感科技等公司布局电子皮肤领域并已逐步落地应用产品，但产品技术水平与国外领先企业相比，有很大差距。