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无皮肤,不人形


近日,国外Clone公司展示了Torso 2机器人的最新动态,该机器人身上附着了白色透明的皮肤,包裹着910根肌肉纤维,182个用于反馈控制的传感器,使其具有164个自由度,向着人类进一步靠近。

          

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人形机器人正走向包括工厂、家庭等更多场景落地,这对柔性化、安全性的人机交互提出更高要求。如果没有安全皮肤,人形机器人外观仍然与人差距甚远,而且依然存在较大的安全隐患与人机交互障碍。从泛用性与仿生性角度,加入皮肤或是人形机器人触觉的终极方案。

              

人形机器人需要什么样的皮肤?理想状态下,像人类皮肤一样的具有柔韧性的“电子皮肤”(E-skin)具有柔性化、灵敏性、伸展性、柔韧性、可穿戴性和透气性等特征,而且最好拥有类似于人类皮肤的触觉、力觉、温度感知等能力,未来朝着自愈性、生物兼容性方向迈进。

          

柔性传感器与新材料的崛起

          

这一趋势下,被业界称为“电子皮肤”的柔性传感器开始得到越来越多机构的重视。电子皮肤在整个人形机器人价值量中的占比约为4%,预计未来随着技术进步和规模化效应,占比将逐渐下降到2%。有机构测算,2024年电子皮肤在全球人形机器人市场的规模预计为4.6亿元,随着量产的实现和市场需求的增加,到2030年市场规模将达到90.5亿元,年复合增长率超过60%。中国在电子皮肤或触觉传感器领域的授权专利总数超过3万项,但专注于机器人应用的相关专利只有约1,000项。

          

柔性传感器实现的电子皮肤通过集成的微型传感器阵列,能够精准地感知和响应微小的压力、温度和触觉变化。这些传感器利用电阻、电容或其他电学特性的变化来检测外部刺激,从而实现高灵敏度的感应。

          

同时,为了模仿自然皮肤的伸展性,柔性传感器搭建的电子皮肤外表还使用了特殊的柔性材料,如硅橡胶、聚合物或纳米复合材料,这些材料能够在拉伸、弯曲或扭曲时保持其电子特性和功能,具有柔软、生物贴合性强、轻薄便捷等特点,同时,通过微孔设计和轻薄材料的使用,电子皮肤可以有效地允许空气和水分通过,减少对皮肤的刺激,产品还柔软可弯曲、重量轻,具备强大的可扩展性,材质最接近人类皮肤。   

          

目前,柔性传感器正处于从实验研发过渡到产业落地阶段,部分头部企业已经处于研发和小批量应用阶段,并已在医疗设备、可穿戴设备等领域落地,部分使用特殊的化学成分或微胶囊技术已经能实现初步自愈性。柔性传感器电子皮肤具有研发和产业化价值,其下游场景广泛,包括人形机器人、智能穿戴、医疗检测、智能床垫、感压笔、耳机、按摩椅、足底检测等其实都能使用。未来随着人形机器人市场兴起,人形机器人电子皮肤等应用领域将处于快速发展阶段,未来有望形成更大市场。


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柔性触觉传感器目前电容式、压阻式柔性传感器应用较多。从结构来说,这些人形机器人皮肤主要由基底材料、电极材料、功能层材料构成。基底材料是柔性触觉传感器的基础,是决定传感器弹性形变性能的关键因素。电极材料主要用于传输电信号。功能层材料则是传感器的核心部分,能够将外部的力、温度、湿度等物理量转化为电信号。   

          

(1)基底材料:决定传感器弹性性能的关键因素。基底材料起着支撑和保护传感器的作用,要求它具有良好的柔韧性、耐腐蚀性、绝缘性以及温度稳定性等。常用的柔性基底材料有PET、PI、PDMS、Ecoflex、NR、TPU等,占电子皮肤总体造价的20%~30%。

          

(2)电极材料:负责电信号传输,占比约10%,传统的电极一般为金属材料,其本身不具有柔性,多采用减薄金属膜层厚度或设计特殊结构等方法赋予其柔性,这将极大地提高成本且制备工艺复杂。目前,液态金属和导电水凝胶的发展为其提供了新思路。

          

(3)功能层材料:柔性触觉传感器的核心部分,占总成本约30%。包括芯片等产品,将外部的力、温度、湿度等物理量转化为电信号。具有优异力电特性的功能层材料是决定柔性触觉传感器性能的关键,多采用金属基材料、碳基材料及导电橡胶等。

          

(4)能源层:能源供应系统保证了设备的持久运行,其通过包括柔性电池、能量收集系统(如太阳能)等嵌入式电池,实现电池或能量收集系统,占比约5%。

          

(5)保护层:保护层的设计确保了设备在各种环境下的稳定性和耐用性,如保持架、屏蔽网罩等,占15%~20%的成本。可以基于防水、防尘材料保护电子组件免受物理损伤、化学腐蚀和水分侵入,同时保持传感器对外部环境的敏感性。

          

柔性触觉传感器需要具备高灵敏度、快速响应、高稳定性等性能特点,企业不断探索新材料和新结构,而且目前大多数柔性触觉传感器仍然依赖于传统的微加工技术,尚未实现大规模生产,生产成本还有下降空间。目前柔性触觉传感器由海外企业主导,主要参与者分布在北美和欧洲,2022年全球前五大厂商占有大约57.1%的市场份额。国内企业发展较晚,但也涌现出一批提前布局触觉传感器的优质企业。未来随着技术进步和成本降低,人形机器人等下游应用场景有望进一步扩大,如果需求量和供给量不断上升,国产化率将逐步提高。   

          

核心企业哪家强?

          

本文盘点了7家人形机器人电子皮肤领域的核心企业。

          

(1)汉威科技(柔性微纳传感器)

          

汉威科技集团股份有限公司于1998年9月在河南成立,并于2009年10月在深交所创业板首批上市,是国内知名的气体传感器及仪表制造商、物联网解决方案提供商。汉威科技作为气体传感器头部公司,近年来尝试以传感器为核心,将传感技术、智能仪表技术、数据采集技术、地理信息和云计算等物联网技术紧密结合,业务应用覆盖传感器、智能仪表、物联网综合解决方案等行业领域。其子公司苏州能斯达成立于2013年,在柔性微纳传感技术上国内领先,目前已形成了自主知识产权的多品种、多量程的柔性微纳力学量传感器(压力、压电、应变)及阵列的核心设计能力,解决了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。

          

据悉,近两年苏州能斯达积极拓展柔性微纳传感器的应用领域,已成功开发具有自主知识产权的多品种、多量程的柔性微纳传感器,能斯达目前已形成四大核心技术、七大产品系列,涵盖压力、压电、应变和织物等多个类型,并具备核心设计、敏感材料合成以及导电墨水制备等关键能力,柔性微纳传感技术水平及产业化程度国内领先。将柔性传感技术与人形机器人紧密结合后,能斯达还已经具备人形机器人柔性电子皮肤、柔性可穿戴传感器、智能感知人机交互技术。目前,柔性微纳传感器目前已在智能机器人领域有明确的应用,并与小米科技、九号科技、深圳科易机器人等积极开展业务合作。 

 

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