人形机器人：电子皮肤的工作原理

芝能科技出品

电子皮肤作为一项前沿技术，正逐渐从实验室迈向商业化应用，开启了机器人触觉革命，并推动了人形机器人、医疗健康监测、智能穿戴设备和智能假肢等多领域的创新发展。

它通过模拟人类皮肤的触觉、温度、湿度等感知能力，赋予机器人和智能设备更接近人类的交互体验。市场预测显示，电子皮肤市场规模将从2024年的63亿美元增长至2034年的300亿美元以上，年复合增长率超过17%。

商业化进程仍面临材料性能、制造工艺和传感器技术等挑战，我们将深入讨论电子皮肤的市场前景与技术难点，并展望其未来发展趋势，揭示其在产业创新中的关键作用。

电子皮肤市场正迎来高速增长期。 根据高工产业研究院数据，全球人形机器人销量预计从2024年的1万台增至2030年的61万台，年复合增长率显著。

与此同步，电子皮肤市场规模预计从2024年的63亿美元增长至2034年的300亿美元以上，年复合增长率超17%。

这一增长得益于人工智能和机器人技术的快速发展，以及对智能设备更自然、安全交互体验的需求增加。电子皮肤作为核心技术，正吸引大量投资和研发资源，市场潜力不容小觑。

● 电子皮肤的应用场景多样，涵盖多个高潜力领域：

◎ 人形机器人： 电子皮肤提升了机器人的外观逼真度和触觉感知能力，使其与人类的交互更安全、自然。

目前，它主要应用于灵巧手等局部部位，帮助机器人完成精细操作。未来，随着技术进步，电子皮肤有望实现全身覆盖，进一步提升机器人在服务、医疗、教育等场景的应用价值。

◎ 医疗健康监测： 电子皮肤可实时监测心率、血压、体温等生理指标，为疾病诊断和治疗提供精准数据。例如，智能绷带能监测伤口愈合情况，健康监测手环则为用户提供个性化健康管理，助力疾病早期预警。

◎ 智能穿戴设备： 集成到智能手表或手环中的电子皮肤，不仅实现生理状态监测，还通过感知微小动作和肌肉电信号，支持无需手动操作的智能控制。其柔性和贴合性显著提升佩戴舒适度和用户体验。

◎ 智能假肢： 电子皮肤赋予假肢接近真实皮肤的外观和触觉感知能力，帮助截肢患者感知物体形状、硬度和纹理，精准抓握物品，从而提高生活自理能力和社交自信。

随着成本降低和技术成熟，电子皮肤将在这些领域进一步深化应用，市场空间广阔。

● 材料层面的挑战： 电子皮肤需模拟人类皮肤的柔韧性、延展性、自修复性和生物相容性，同时在厚度、灵敏度、稳定性等方面达到高标准。

然而，当前实验室产品在折叠寿命和长期稳定性上存在不足，难以满足工业化需求。例如，在复杂环境下，材料的耐久性和可靠性仍需提升，材料科学的突破是关键。

● 制造工艺的挑战： 电子皮肤的柔性电子器件需在拉伸、扭曲时保持功能稳定，这对制造工艺要求极高。

其密集电子元器件布局易受电磁干扰，如何在微小尺度上实现有效屏蔽是一大难题。此外，实现低成本、高效率的规模化生产，对工艺优化提出更高挑战。

● 传感器技术的挑战

传感器是电子皮肤感知能力的核心，当前主流技术路线各有优劣：

电子皮肤主流的传感器技术路线中，电阻式灵敏度高、设计简单却在宽量程压力下信号一致性欠佳；电容式分辨率和灵敏度高，但面临电路复杂与需电磁屏蔽的问题；压电式信号线性度良好，却低频响应弱且仅能测量动态信号；光学式分辨率极高，不过成本高昂且易出现信号漂移；霍尔效应式支持三维力感知，然而存在结构复杂和易受磁场干扰的不足。

◎ 电阻式传感器： 基于压阻效应研发，通过材料形变引发的电阻变化检测压力，具备0.1kPa-1MPa宽量程和高灵敏度 （>10 kPa⁻¹） 优势，特斯拉Optimus触觉系统即采用该技术。

但极端压力下信号易漂移，且国产材料循环寿命不足100万次，斯坦福大学通过PDMS弹性体与有机晶体管集成、RMIT采用氧化物橡胶复合材料等方案正在突破材料瓶颈。

◎ 电容式传感器： 依赖电极间距/面积变化引起的电容波动感知形变，以±5%量产一致性和0.1mm超高分辨率著称，广泛应用于触控屏领域。

但其信号处理需8层以上PCB电路设计，且必须配置电磁屏蔽层，导致模组成本比电阻式高出30%-50%。

◎ 压电式传感器： 利用PVDF等材料形变产生电荷的特性，在0.1-100kPa范围内展现0.999线性度，国产化率超90%且性能媲美进口产品。

局限在于仅响应动态压力 （截止频率0.01Hz） ，无法检测静态力，目前多用于工业振动监测等场景。

◎ 光电式传感器： 通过微结构形变引发光路变化实现检测，中科院自动化所研发的三维触觉系统精度达±0.01N，但光学组件占BOM成本60%，且长期使用易因透镜磨损导致信号漂移，制约商业化进程。

◎ 霍尔效应传感器 依托磁场强度变化实现XYZ三向力觉检测