“电子皮肤"——从柔性触觉传感器到多模态感知系统

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为什么需要“电子皮肤”？

如果说人工智能赋予机器人"大脑"，运动控制系统赋予机器人"四肢"，那么电子皮肤（Electronic Skin，E-skin）正在赋予机器人另一项至关重要的能力——触觉。

过去，人们评价机器人，更多关注它能否行走、抓取或完成复杂动作。但随着人形机器人不断走向工业制造、商业服务、医疗康复等真实场景，仅仅"会动"已经远远不够。

机器人开始需要像人一样，知道自己碰到了什么、用了多大的力、接触物体是否光滑、是否过热、是否湿滑，从而实时调整动作策略。在这一背景下，电子皮肤逐渐成为智能机器人感知系统的重要研究方向。

“电子皮肤”本质上是一种能够模拟人体皮肤感知能力的柔性智能材料。

它通常覆盖在机器人手指、手掌、手臂甚至全身表面，通过内部大量柔性触觉传感器，将外界刺激转化为可识别的电信号。这些刺激不仅包括压力和形变，还可以扩展至温度、湿度、振动以及部分化学信息。

相比传统刚性传感器，电子皮肤最大的特点在于"柔性"。它能够像皮肤一样贴合各种复杂曲面，在机器人运动过程中保持稳定工作，同时具有更高的环境适应能力。

压阻式传感器利用材料受力后电阻发生变化来检测压力。2016 年，意大利比萨大学的 M. Bianchi 等人提出了一种包括四层织物的压阻柔性触觉传感器。如图所示，通过织物层增加了触觉传感的柔性。同时利用其间隔层独特的蜂巢结构使传感器不受法向力时与采集电路断开连接，以减小传感器的能量损耗和发热量。

压阻柔性触觉传感器结构及实物图

由于结构简单、成本较低、测量范围广、耐过载能力强，目前已成为机器人触觉领域最成熟、应用最广泛的技术路线之一，产业化程度最高。不过其迟滞效应和温度漂移仍需进一步优化。

电容式传感器通过检测电容变化感知外力。由于能够同时测量三维受力等特点，非常适合高精度触觉应用。

当电容式触觉传感器受到法向力时，其上下电极板的间距发生改变，导致传感器的电容值发生变化；当传感器受到切向力时，上下电极的重合面积发生变化， 也会导致传感器的电容值发生变化。因此电容式传感器电容式触觉传感器基于电容变化实现力信号检测。该类传感器不仅能够检测压力大小，还能够实现三维力信息的感知。电容式触觉传感器具有灵敏度高、空间分辨率高、动态响应快等优势，在精细触觉感知领域具有广泛应用前景。但由于其信号检测依赖微小电容变化，因此对测量电路要求较高，同时容易受到外部电磁环境的干扰。

电容传感器结构图

压电材料受到压力时可直接产生电荷，因此压电式传感器具有自发电能力。其响应速度快、灵敏度高，非常适用于动态力检测和能量采集。但对于持续静态压力，其测量能力相对有限。

压电效应指当晶体受到法向力时，内部产生电极化现象，撤掉外力时，晶体又恢复到不带电状态。将压电式触觉传感器连接到电荷放大器和测量电路上，采集其与所受外力相关的电信号，从而实现触觉检测。压电式触觉传感器是一种自发电和机电转换传感器，不需要外部电源，因此这种传感器更便于携带，且其材料刚度高，线性度好，响应灵敏，但它易受噪声干扰，其介电性会受温度影响。

压电式触觉传感阵列      可测量三维力的压电式触觉传感器

光学触觉传感器通过检测光强、波长等光学信号的变化感知受力信息，主要包括光强调制、光纤布拉格光栅（FBG）和干涉测量等传感原理，其中前两种应用较为广泛。

基于光强调制的传感器通过光强变化检测压力大小及作用位置，但结构较厚，不利于轻薄化设计。基于FBG技术的传感器则利用受力引起的布拉格波长偏移测量压力，无需依赖光强信号，因此具有抗光强波动能力强、可实现多点集成等优势。总体而言，光学触觉传感器具有分辨率高、抗电磁干扰能力强等特点，适用于复杂电磁环境，但易受温度变化和光纤弯曲影响，且信号处理算法较为复杂，对计算能力要求较高。

阵列式光学式触觉传感器

在拉伸或压缩下反射光的 FBG 光谱

摩擦式柔性压力触觉传感电子皮肤主要基于柔性摩擦电纳米发电机（TENG）技术，通过摩擦起电效应与静电感应的耦合作用，将外部机械能直接转换为电能。当两种不同材料发生接触和分离或相对运动时，表面会产生等量异号电荷，并在两电极间形成电势差，从而输出电信号，实现压力感知。

该类传感器具有自供能优势，但易受环境因素影响，在实际应用中容易出现噪声干扰和信号漂移等问题。为提高稳定性，研究主要集中于优化静电屏蔽封装和器件结构设计，如构建微纳结构或无垫片结构，以进一步提升其压力检测灵敏度和可靠性。

摩擦式柔性压力触觉传感电子皮肤

电磁式触觉传感器基于电磁感应原理实现压力检测。当外力作用于传感器时，会引起线圈自感系数或互感系数发生变化，并进一步转换为电压或电流信号输出，从而完成对外界力信息的感知。由于采用电磁感应机制，该类传感器具有较高的力检测灵敏度，同时能够对切向力进行一定程度的感知和表征。

然而，电磁式触觉传感器容易受到外界电磁环境的干扰，抗干扰能力相对较弱，且器件集成度较低，不利于高密度阵列化设计。此外，其虽然具备一定的切向力检测能力，但对于切向力的直接定量测量精度仍然有限，因此在实际应用中仍受到一定限制。

电磁式触觉传感器的一种设计