电子皮肤（E-skin）是一种模仿人类皮肤的柔性传感器系统，能同时感知压力、温度、湿度等多种信号，并转换成可处理的数据。柔性触觉传感器依据压阻、电容、压电等原理，通过模拟人体皮肤的特性，巧妙地将外部物理刺激转换为可记录或可测量的电信号，具有高灵敏度（如可感知蚂蚁重量）、快速响应和良好稳定性等特点。
随着纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）和柔性聚合物基底等材料以及新型制造工艺的发展，电子皮肤在医疗健康（如生理监测、智能假肢）、机器人传感以及人机交互等领域应用前景广阔。
本文着重介绍柔性传感器的基本原理、分析其主要技术路线以及讨论未来的发展趋势。
基本原理
压力传感包括多种机制，包括电阻性、电容型、压电型和摩擦电型等。每种传感机制都具有独特的特性，这归因于所使用的活性材料和器件结构的复杂性。
从结构构成上来看，柔性传感器通常有五层主要功能层：
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敏感层：位于最表面，采用碳纳米管/PDMS复合物或离子凝胶等力敏材料，并借助仿生微柱、多孔结构等微设计，极大提升了对外界压力的响应灵敏度；
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电极层：使用液态金属、银纳米线或石墨烯等柔性导体，形成可拉伸、可弯折的信号采集通路，确保信号稳定传输；
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基底层：通常以聚酰亚胺（PI）或Ecoflex等弹性材料制成，赋予传感器机械强度与形变恢复能力；
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封装层：如超薄PDMS膜，将内部元件与外界湿气、氧化和污染物隔离，显著提升器件的耐久性与环境适应性；
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粘合层：通过硅基压敏胶等材料实现层间紧密贴合，保障机械应力高效、均匀地传递。
这种仿生叠层结构设计，不仅使传感器具备高灵敏度、宽感应范围和优异稳定性，更使其能够在弯曲、拉伸甚至扭曲等复杂机械场景下持续可靠工作。
图1. 基于三维架构的仿生电子皮肤
技术路线
当前，柔性触觉传感器的技术发展呈现出多元化、高度融合的创新格局，其研究与产业化应用主要围绕以下四大前沿路线展开，分别为电阻式、电容式、压电式、摩擦电式传感器：
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电阻式传感器：基本原理是将施加在器件上的外部压力刺激转换为可记录的电阻变化（如图2a），当压力施加于传感器时，材料内部的微观结构发生形变（如图2b）（如导电通路的压缩或拉伸），导致电阻值发生变化。通过测量电阻变化即可反推压力大小。这种传感机制基于半导体传导的压阻效应，当材料受力变形时，其能带结构或载流子散射特性发生变化，从而改变导电性。
因为其结构、制造工艺简单等，电阻式传感器已经成为应用最为广泛的柔性传感器的之一。如某行业知名企业开发的柔性触觉传感器通过纳米纤维/CNTs复合结构设计，实现了0.3mm超薄厚度与1ms超快响应时间，已应用于机器人灵巧手、智能座舱座椅等场景。
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电容式传感器：电容式压力传感器基本原理是将压力输入转换为电容的变化，通常是通过在两个平行电极之间夹一个介质层（俗称“三明治”结构）来制造的，如图2c，当压力作用于传感器时，电极之间的距离或介电材料的厚度发生变化，导致电容值改变，通过测量电容变化即可感知压力。
由于其具有器件结构简单、响应速度快、功耗低、电路布局紧凑等优点，得到了广泛的研究。如在清华大学三维电子皮肤研究中，电容式传感器被用于感知剪切力和摩擦力，其灵敏度可达-0.52%/°C，温度漂移系数仅为±0.05%/℃，显著优于传统电阻式传感器。
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压电式传感器：压电式压力传感器是另一种常用的压力传感方式。压电传感器的器件结构通常需要将压电材料夹在两个平行电极之间，其基本原理是外部压力使压电材料变形，从而产生电荷，如图2e。
由于其具有高灵敏度和快速响应时间等优点，压电传感器已被广泛用于检测动态压力，如声音和滑动振动。然而，也有一些缺陷，比如不能弯曲和拉伸、无法检测静态力。所以目前的一些研究主要集中在探索传感材料和制备工艺以及动态力的检测上。如Murata开发的超薄PVDF传感器可检测0.1Pa的微细脉搏，PCB Piezotronics的振动传感器用于机床刀具磨损监测。
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摩擦电式传感器：摩擦电式传感器的工作原理是基于摩擦起电效应和电荷转移（当两种不同材料接触并摩擦时，因材料对电子的束缚能力差异，会发生电荷转移：一种表面带正电，另一种带负电，如图2f），通过将机械刺激转化为电信号实现监测。
这类传感器的突出特点是完全自供电（无需外部电源），制造相对简单，但存在信号稳定性差（湿度>60%时衰减 50%以上）、灵敏度较低等局限。目前在可穿戴设备中的应用尤为突出，例如智能手套、智能鞋垫等。
图2. 柔性传感器的传感机制示意图
此外还有霍尔效应传感器（通过检测磁场变化实现高精度非接触测量）、光学式传感器（利用光电效应进行高灵敏度、高速度的非接触式检测）等高精度和高灵敏度传感器，也被广泛应用于高精度触觉感知的场景。
发展趋势
柔性触觉传感器的发展正跨越从“感知”到“融合”的关键阶段。未来的演进将不再局限于单一性能的提升，而是朝向更系统化、智能化的维度迈进，主要呈现以下几大核心趋势：
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自愈合与自修复功能
当前，柔性传感器正从“可弯曲”迈入“可自愈”的新阶段。通过引入自愈合聚合物、动态共价网络和纳米复合功能材料，传感器在遭受切割、穿刺或疲劳损伤后，能够自主恢复其机械与电学性能。这一突破大幅提升了器件在复杂环境中的耐用性和可靠性，为长期、高鲁棒性电子皮肤的实现奠定基础。
如韩国首尔大学的Dae-Hyeong Kim团队开发了一种高效自愈合电子皮肤系统，其聚合物基底在室温下1小时内可恢复90%以上机械强度，且恢复后的传感性能几乎无衰减。
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高度集成与多功能化
柔性传感系统正从单一感知走向集成感知–处理–通信一体化的“智能皮肤”。借助柔性电路、可拉伸互联与异质集成技术，电子皮肤能够在极薄形态下实现多模态信号同步捕获、前端信号处理甚至初步神经形态计算。
如图3，斯坦福大学Zhenan Bao团队率先实现了多功能电子皮肤阵列，可同时感知压力与温度，具备类神经反应速度与信号编码能力。
图3. 电子皮肤的制造和组装 -
无源驱动与自供电
为摆脱电池限制、实现真正“无线自由”，自供电电子皮肤成为关键发展方向。压电、摩擦发电、热电、生物燃料电池等能量捕获机制被深度融合进柔性器件中，使其可从环境、运动甚至体液中提取能量，支撑长期、连续工作。
代表性案例如中科院苏州纳米所研发的柔性自供电传感贴片，融合摩擦电与光伏技术，可实现24小时无外部电源生理监测；加州大学圣地亚哥分校团队则利用汗液中的乳酸驱动柔性生物电池，为低功耗传感模块持续供能。
图4.可穿戴式自供电柔性传感系统的应用
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生物相容性与可降解性
随着医疗健康应用的不断深入，器件的生物相容与生态可持续性已成为电子皮肤走向实用不可或缺的一环。研究者广泛采用天然高分子（如丝素蛋白、明胶、纤维素）和生物可降解导电材料（如聚乳酸/石墨烯复合材料），开发出可在体内安全降解或对环境无害的瞬态电子皮肤。这类系统既保障了人体集成使用的安全与舒适，也符合绿色电子与循环科技的发展要求。
如美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）Rogers 团队设计了可在体内生物降解的柔性传感芯片，应用于术后脑压与温度监测，植入一周后即可自然溶解。
图5.生物可吸收无源无线压力传感器的制造工艺、结构设计和性能
这一多维度的技术演进，不仅将推动柔性电子本身走向成熟，更将深度赋能机器人、智能假肢、人机交互、远程医疗等重大科技领域，构建出一个更具感知、更智能、更融合的数字物理世界。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aau6914
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104663
https://doi.org/10.1002/adfm.202003754
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