人形机器人的电子皮肤电极、介电材料、活性材料、柔性基材组成。其中，柔性基底的常用材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS），它决定了电子皮肤弹性形变性能。
资料来源：山东大学生物医学传感工程技术研究中心，中泰证券研究所
一、PDMS材料特性与加工
聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为一种弹性聚合物，其分子主链由硅氧键（Si-O-Si）构成，侧链为甲基，这种特殊的化学结构赋予了它卓越的柔韧性和高弹性。
PDMS的玻璃化转变温度低至-120℃，在常温下表现出橡胶般的特性，弹性模量范围为0.1-3MPa，能够承受高达1000%的拉伸形变而不破裂。这种机械性能与人类皮肤（杨氏模量约25-220kPa）高度匹配，使得PDMS成为仿生电子皮肤的理想基底材料。
作为电子皮肤的基础材料，PDMS的可加工性优异，它可通过光刻、丝网印刷或3D打印等工艺制造出各种微结构（如微柱阵列、金字塔结构等），这些微结构可显著提升传感器的灵敏度。
比如常用的软光刻技术流程包括：将PDMS预聚物与交联剂混合、脱气、倒入模具、固化成型、脱模、打孔、等离子处理键合等步骤。
另外，通过引入多种导电填料（如碳纳米管、石墨烯、银纳米线等），可有效调控PDMS的电学特性。当填料浓度超过渗透阈值时，PDMS复合材料的电导率会显著增加。
例如，含有4wt.%多壁碳纳米管（MWCNT）的PDMS复合材料在达到渗透阈值后，电阻变化可达2.4MΩ，应变系数高达4.76，表现出优异的压阻特性和线性响应，适合工业应用。
表：PDMS及其复合材料的主要特性
| 特性参数 | 数值范围 | 应用意义 |
|---|---|---|
| 弹性模量 | 0.1-3 MPa | 与人体皮肤模量匹配，穿戴舒适 |
| 拉伸形变 | 最高1000% | 适用于关节等大变形部位 |
| 使用温度范围 | -50℃至200℃（可扩展至-196℃至300℃） | 适应极端环境 |
| 介电常数（掺杂后） | 2.3（纯PDMS）至100+（掺杂碳纳米管） | 显著提升压力检测灵敏度 |
| 渗透阈值（MWCNT填料） | 约4wt.% | 实现最佳电阻变化响应 |
二、PDMS在电子皮肤中的应用形式
PDMS结合导电填料形成的压阻复合材料是电子皮肤触觉感知的核心。其工作原理基于在外力作用下材料变形导致内部导电网络变化，进而引起电阻改变。
这种压阻式传感层可通过丝网印刷工艺制备，具有顺应性、可印刷性和生物相容性优势，已广泛应用于柔性压力传感器和人形机器人的电子皮肤。
一种具有凹坑结构的压阻式电子皮肤
在PDMS表面构建微结构是提高触觉灵敏度的有效策略。微结构设计的不同形态对性能影响显著。
表：不同PDMS微结构设计的性能比较
| 微结构类型 | 灵敏度(kPa⁻¹) | 检测范围 | 响应时间 | 应用特点 |
|---|---|---|---|---|
| 微柱阵列 | 0.18-0.35 | 0-5kPa | <200ms | 低压力高灵敏度 |
| 金字塔结构 | 0.02-0.15 | 5-20kPa | <150ms | 高压稳定性好 |
| 仿指纹微结构 | 0.25-0.40 | 0-10kPa | <100ms | 多维力检测 |
| 多孔泡沫结构 | 0.10-0.20 | 0-50kPa | <300ms | 大变形耐受 |
研究表明，微柱阵列结构有利于提高低压范围内的灵敏度，而金字塔结构则更适合高压范围的稳定响应。这些微结构通过增加材料在压力下的变形程度，改变接触面积，从而增强信号输出效率。
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