电子皮肤技术从2010年起步至2025年,呈现“材料迭代驱动结构优化、技术路线多元适配场景”的发展逻辑,各维度发展情况如下:

 

一、材料发展:从传统高分子到高性能复合体系,兼顾柔性与功能

电子皮肤材料的核心需求是柔性/可拉伸性、导电性/传感敏感性、生物相容性,材料体系随技术发展不断升级,可分为“基础柔性基材”“敏感功能材料”“电极材料”三大类:

 

1. 基础柔性基材:从单一高分子到生物基/自修复体系

l 早期(2010-2015年):以传统弹性高分子为主,如聚二甲基硅氧烷(PDMSCN101885463BCN105067160B)、聚氨酯(PUCN107664545A)、聚酰亚胺(PICN104393194A),核心解决“刚性基材无法贴合”问题,具备基础柔性,但生物相容性、耐疲劳性较差。

l 中期(2016-2020年):引入复合与仿生材料,如多孔PDMSCN109520646B,安徽大学)、纤维素纳米纤维(CN107913067A,江南大学)、水凝胶(CN109294133B,南京工业大学),提升透气性与生物相容性;同时出现自修复材料,如含动态二硫键/氢键的聚硅氧烷(CN112063153B,华南理工大学),解决电子皮肤“破损后失效”痛点。

l 近期(2021-2025年):生物基与极端环境适配材料成为主流,如丝素蛋白/碳材料复合水凝胶(CN113292744B,苏州大学)、可降解纳米纤维素/MXene复合膜(CN118271660A,深圳大学)、水下自愈合超分子水凝胶(CN113683785B,华南理工大学),兼顾环保性与复杂场景适应性(水下、高温、人体长期接触)。

2. 敏感功能材料:从单一导电填料到多功能复合体系

l 早期(2010-2015年):以碳基单一填料为主,如碳纳米管(CN101885463B,东北大学)、石墨烯(CN105067160B,东南大学),通过“导电网络形变-电阻变化”实现压力传感,灵敏度较低(通常<100kPa¹)。

l 中期(2016-2020年):复合敏感材料爆发,如石墨烯/多壁碳纳米管/硅橡胶(CN109520646B)、MXene/PDMSCN110501095B,复旦大学)、金属纳米颗粒(银纳米线,CN107345840B,青岛大学),通过“多组分协同”提升灵敏度(最高达909kPa¹,CN105203244B,浙江大学),同时实现温度/湿度等多参数传感。

l 近期(2021-2025年):功能集成材料成为趋势,如压电-摩擦电复合体系(CN114536382B,中科院自动化所)、离子凝胶(CN109631957A,南方科技大学),兼具“传感+能量收集”功能,无需外部电源(自驱动),适配无源场景(如假肢、偏远环境监测)。

 

3. 电极材料:从刚性金属到柔性导电膜/液态金属

l 早期(2010-2015年):以柔性金属薄膜为主,如铜箔(CN101885463B)、金电极(CN107778480B,深圳大学),通过“薄膜图案化”适配柔性,但拉伸时易断裂。

l 中期(2016-2020年):导电聚合物与液态金属崛起,如PEDOT:PSSCN110017923B,中科院宁波材料所)、镓基液态金属(CN105320277B,北京梦之墨),液态金属可在基材内流动(CN111504522A,吉林师范大学),解决“拉伸时电极断裂”问题。

l 近期(2021-2025年):透明/可降解电极普及,如银纳米线/纤维素复合电极(CN113997663B,苏州大学)、MXene叉指电极(CN114076785B,北京化工大学),兼顾透光性与生物相容性,适配可穿戴显示+传感一体化场景。

 

二、结构发展:从简单层状到仿生微结构,提升传感灵敏度与空间分辨率

电子皮肤结构设计的核心目标是放大微小形变、优化传感单元分布,随技术发展从“平面层状”向“三维仿生结构”演进:

1. 早期(2010-2015年):简单三明治层状结构

l 结构特点:“电极层-介电层/敏感层-电极层”的平面堆叠(CN101885463BCN105203244B),敏感层多为平整薄膜,依赖“整体形变”实现传感,空间分辨率低(通常>1mm)、灵敏度有限(<50kPa¹)。

l 典型案例CN105203244B(浙江大学)的“衬底-支撑层-压敏感应层-电极层”层状结构,通过压敏感应层的电阻变化感知压力,仅适用于高压力范围(>1kPa)。

2. 中期(2016-2020年):微结构与阵列化设计

l 结构优化:引入仿生微结构放大形变,如锥形阵列(CN108225625B,深圳先进院)、金字塔结构(CN106959175B,合肥工业大学)、半球形凸起(CN110793701B,安徽大学),通过“微结构接触面积变化”提升灵敏度(最高达405kPa¹,CN110501095B);同时实现传感单元阵列化(如4×4阵列,CN112587285B,东南大学),空间分辨率提升至0.1-1mm

l 典型案例CN1095203244B(安徽大学)的“三维多孔微结构复合介质层”,以聚氨酯海绵为模板,石墨烯/碳纳米管复合导电材料包裹海绵骨架,压力下多孔结构压缩导致电容变化,检测范围覆盖50Pa-1.5MPa

 

3. 近期(2021-2025年):三维立体与模块化结构

l 结构创新:从“平面阵列”向“三维立体分布”升级,如“倒蘑菇型”三维力传感器(CN111751038B,安徽大学)、波纹管微结构(CN111947813B,安徽大学),可同时感知法向力与切向力(三维力);模块化设计普及(CN110978017B,温州大学),通过“可裁剪柔性电路层”实现大面积拼接,适配机器人全身、人体复杂曲面覆盖。

l 典型案例CN114459642B(浙江大学)的“全局刚度可控电子皮肤”,集成“迫近感知(电容阵列)-接触感知(仿生绒毛传感器)-负载感知(柔性驱动器+传感器)”三级立体结构,动态调整刚度以适配不同压力范围。

 

三、技术路线:从单一传感到多模态自驱动,核心原理不断拓展

电子皮肤技术路线以“力学信号(压力/应变)传感为基础”,逐步拓展至多参数集成与自驱动,核心原理可分为四大类:

 

1. 压阻式:结构简单,早期主流(2010-2018年)

l 原理:外力导致敏感层电阻变化(如导电网络接触面积改变、裂纹开合),通过电阻信号反推压力/应变大小。

l 发展特点: 早期(2010-2015年):以碳纳米管/PDMS复合体系为主(CN101885463B),结构简单但迟滞大(>100ms);中期(2016-2018年):引入微结构优化响应速度,如CN109374024B(四川大学)的“凹坑结构压阻层”,响应时间缩短至50ms内,适用于人体脉搏、语音振动等动态信号检测。

l 代表专利CN105800605B(华东师范大学,氧化石墨烯/石墨烯双层压阻薄膜)、CN110017923B(中科院宁波材料所,液态金属薄膜压阻传感器)。

2. 电容式:低功耗高稳定性,中期主流(2015-2022年)

l 原理:外力改变电极间距/介电层介电常数/电极重叠面积,导致电容变化,通过电容信号感知压力。

l 发展特点: 中期(2015-2020年):介电层微结构化是核心创新,如CN109520646B(安徽大学)的“三维多孔介电层”、CN110793701B(安徽大学)的“球曲面电极”,灵敏度提升至100-1000kPa¹,且迟滞<5%

近期(2021-2022年):集成多参数传感,如CN110763375B(南方科技大学)的“离子凝胶介电层”,可同时检测压力(电容变化)与温度(离子电导率变化)。

l 代表专利CN112556895B(合肥艾创微电子,阵列式尖端结构电容传感器)、CN111609953B(安徽大学,球曲面电极三维力电容传感器)。

 

3. 压电/摩擦电式:自驱动,近期主流(2018-2025年)

l 原理: 压电式(CN106601329B,北京纳米能源所):压电材料(如PVDFZnS:Mn)受外力产生极化电荷,输出电信号,适用于动态压力(振动、冲击);摩擦电式(CN108796755B,北京纳米能源所):两种不同摩擦电材料接触分离产生静电感应,实现“机械能-电能”转换,兼具传感与能量收集功能(自驱动)。

l 发展特点:解决“外部电源依赖”问题,如CN110854263B(北京纳米能源所)的“自驱动压力应变传感器”,集成压电纳米发电机与晶体管,无需电池即可工作;2021年后出现“压电-摩擦电混合驱动”(CN114536382B,中科院自动化所),提升信号稳定性。

l 代表专利CN106601329B(北京纳米能源所,柔性纳米摩擦发电机)、CN114264385A(陕西中建建乐,热电效应电子皮肤)。

 

4. 多模态集成:单一器件实现多参数检测(2020-2025年)

l 技术逻辑:通过“材料复合+结构设计”,使单一传感器同时感知压力、温度、湿度、距离等参数,避免多器件集成的复杂布线。

l 典型方案: 材料复合:如CN113103709A(东华大学)的“纤维基压力-温度双模态传感器”,利用压电纤维测压力、热电材料测温度;结构分区:如CN114608716B(广东粤港澳大湾区协同创新研究院)的“柔性温度压力传感器”,压力传感区(介电层)与温度传感区(热电薄膜)分区集成,信号无干扰。

l 代表专利CN110987029B(华中科技大学,压力-温度-距离三模态传感器)、CN114360761B(郑州大学,拉力-压力-温度-光多模态传感器)。

 

四、应用发展:从实验室探索到多领域落地,场景不断细分

电子皮肤应用随技术成熟度从“通用场景”向“垂直领域精准适配”演进,核心场景包括机器人/假肢、医疗健康、可穿戴设备、工业检测四大类:

 

1. 机器人/假肢:从触觉感知到安全交互(2015-2025年)

l 早期(2015-2018年):以基础触觉感知为主,如CN105203244B(浙江大学)的电子皮肤用于机器人手指“抓取力检测”,CN107588872B(合肥工业大学)的“三维力传感器”适配假肢关节力反馈。

l 近期(2019-2025年):向“安全交互与智能适配”升级,如CN114459642B(浙江大学)的“全局刚度可控电子皮肤”,机器人接触人体时自动降低刚度避免伤害;CN117067199B(睿尔曼智能)的“机械臂电子皮肤”,通过碰撞力检测实时调整运动轨迹,适配工业人机协作。

l 代表专利CN112587285B(东南大学,肌电假肢电子皮肤手套)、CN114536382B(中科院自动化所,神经拟态灵巧手机器人电子皮肤)。

2. 医疗健康:从生理监测到主动治疗(2016-2025年)

l 早期(2016-2020年):聚焦无创生理监测,如CN105852806B(浙江大学)的“伤口监测电子皮肤”,实时采集伤口温度/湿度;CN104706335B(中科院苏州纳米所)的“脉搏检测电子皮肤”,灵敏度达0.1Pa,可区分脉搏波形。

l 近期(2021-2025年):融入“监测-治疗一体化”,如CN111529750A(天津大学)的“仿生皮肤”,监测伤口肿胀/温度/葡萄糖浓度的同时,通过温度调节器促进愈合;CN118707963B(浙江省交通运输研究院)的“船舶电子皮肤”,监测船员生理信号并预警疲劳。

l 代表专利CN113292744B(苏州大学,丝素蛋白水凝胶电子皮肤用于伤口修复)、CN114831783B(中国科学技术大学,假肢电子皮肤电刺激残肢感知)。

 

3. 可穿戴设备:从单一功能到多模态交互(2017-2025年)

l 早期(2017-2020年):以运动监测为主,如CN109355715B(中原工学院)的“纳米纤维包芯纱传感器”,用于手指弯曲/呼吸监测;CN107432738A(清华大学深圳研究生院)的“电子纹身”,贴附胸部检测心电信号。

l 近期(2021-2025年):向“人机交互与智能控制”拓展,如CN114631810A(北京航空航天大学)的“颈椎振动反馈电子皮肤”,监测姿势并振动提醒;CN117385495B(南京农业大学)的“导电水凝胶微纤维电子皮肤”,用于手势识别控制智能家居。

l 代表专利CN112831062B(广东工业大学,单面自粘附水凝胶电子皮肤)、CN114149599B(华南师范大学,透明导电水凝胶电子皮肤用于健康监测)。

 

4. 工业检测:从表面检测到极端环境适配(2020-2025年)

l 核心场景:工业机器人表面检测(CN117067199B)、水下设备感知(CN110519675B,北京信息科技大学,水下航行器声信息电子皮肤)、电力设备监测(CN120038763A,湖南师范大学,电力换流站机器人电子皮肤),核心解决“复杂曲面覆盖”“极端环境稳定性”问题。

l 技术适配:采用耐高低温/耐腐蚀材料,如CN113683785B(华南理工大学)的水下自愈合水凝胶、CN114196373A(江西师范大学)的非水凝胶柔性封装材料,确保工业场景下长期可靠工作。

l 代表专利CN118809016A(苏州大学,智能焊接电子皮肤监测平整度)、CN111702789A(沈阳工业大学,汽车线束夹具电子皮肤预测拉力)。

 

总结:电子皮肤发展的核心趋势

1. 材料:从“单一功能”向“多功能复合”演进,生物基、自修复、极端环境适配材料成为未来方向;

2. 结构:从“平面层状”向“三维立体+模块化”升级,空间分辨率与多力感知能力持续提升;

3. 技术路线:从“外部供电单一传感”向“自驱动多模态集成”发展,降低对外部设备依赖;

4. 应用:从“通用场景”向“垂直领域精准适配”落地,医疗健康、工业人机协作成为核心增长点。

年份

总的专利布局重点

部分企业单位专利概况(专利号 + 专利简介)

2010

起步阶段,聚焦柔性压敏元件基础研发,突破传统刚性传感器局限,奠定柔性传感材料基础

CN101885463B:公开基于碳纳米管填充高分子复合材料的柔性压敏元件,采用碳纳米管与 PDMS 复合,通过两级三明治结构封装,柔性好、精度高、厚度薄,适用于人工电子皮肤研制等领域。

2011

材料探索(石墨烯 / 聚合物导电材料)跨界应用萌芽(皮肤美容),探索生物相容性与柔性兼顾

1.  赫雅有限公司(CN102652855B):公开具有整合样本分配器的电子皮肤处理装置,同步施加超声振动 / 机械按摩等与样本分配,实现皮肤美容专用化;

2.  中科院金属所(CN102732037B):研发石墨烯泡沫 / 聚合物高导电复合材料,兼具良好机械稳定性与导电性,适用于柔性电子皮肤等领域。

2012

功能融合(传感 + 显示)多参数集成(压力 /  温度 / 湿度),优化生物相容性接口

1.  肯特显示器公司(CN103424908B):开发含胆甾型液晶层的电子显示器,可作为装饰性电子皮肤,实现光学外观可调;

2.  泰克年研究(CN104583762B):提供组合感测压力、温度和湿度的模块化平台单元,集成于电子皮肤应用;

3.  皇家飞利浦(CN104411247B):采用电子皮肤技术优化乳房压缩元件表面,调节光学外观。

2013

传感原理多样化(压阻 / 压电 / 摩擦电)自驱动技术萌芽 + 初步场景探索(语音识别 / 避障)

1.  中科院苏州纳米所(CN103961073B):开发压阻式电子皮肤,以碳纳米管薄膜为导电层,图案化柔性衬底提升微小作用力灵敏度,工作电压低、功耗小;

2.  北京大学(CN103778867B):研制自驱动可视化电子皮肤,集成摩擦发电机与液晶 / 电润湿显示屏,无需外部电源;

3.  北京纳米能源所(CN103411710B):基于静电纳米发电机的压力传感器,实现压力定位和压力场测绘,应用于电子皮肤。

2014

多功能集成(温度 - 压力双传感)材料革新(液态金属 / 导电聚合物)可穿戴适配

1.  广东东邦(CN104523285B):电子皮肤集成氧化物薄膜晶体管、压力 / 温度传感器,分侧布置传感器,信号干扰小,工作电压低;

2.  北京梦之墨(CN105320277B):研发彩色液态金属印刷墨水,高附着力、可柔性印刷,适用于电子皮肤导电线路;

3.  中科院半导体所(CN104251751B):多感官集成电子皮肤,基于有源场效应晶体管实现触觉 / 温度 / 距离传感,适配智能机械手。

2015

灵敏度优化(微突起 / 多孔结构)医疗场景落地(伤口监测 / 皮肤测试)国际协同研发

1.  深圳前海安测(CN205175585U):柔性电子皮肤含多孔 PDMS 膜与压力传感单元,高柔韧性与弹性,实现高灵敏度接触压力测量;

2.  浙江大学(CN105852806B):伤口实时监测电子皮肤,布设传感器采集伤口理化信息,蓝牙传输数据并按需调理伤口温度;

3.  深圳可思美(CN105030205B):手持式光学高清皮肤测试分析仪,获取电子皮肤影像并分析健康指数;

4.  斯坦福大学(CN108139282B):低功耗可拉伸触觉传感器,模拟人类皮肤特性,应用于可穿戴设备、假肢、健康监测。

2016

专项传感突破(滑触觉 / 定位)医疗场景拓展(假肢)+  材料复合化(石墨烯 + 碳纳米管)

1.  北京科技大学(CN106382997B):摩擦静电感应式电子皮肤,利用人体与摩擦层接触分离产电,自驱动、稳定性好,生物相容性聚合物材料适配广泛场景;

2.  合肥工业大学(CN106959175B):金字塔结构全柔性电容式滑触觉传感器,实现抓取检测与滑动状态判别,适配电子皮肤;

3.  中科院重庆研究院(CN110031135B):基于石墨烯纳米墙的电容式触觉 / 滑觉传感器,应用于盲文识别、机器人;

4.  南京工业大学(CN106767374B):三维石墨烯 / 碳纳米管网络柔性应变传感器,兼具拉伸性与灵敏性,实现人体生理信号检测。

2017

多模态集成(接近觉 + 触压觉)场景全覆盖(手语识别 / 机器人避障)自修复技术

1.  合肥工业大学(CN107677296B):全柔性接近 - 触压觉传感器,垂直 “三明治”   结构实现接近 / 触觉 / 压觉全过程感知;

2.  上海交通大学(CN107765850A):基于电子皮肤的手语识别系统,采集手部运动信息,解码翻译并展示结果,适配聋哑人交流;

3.  深圳先进院(CN108151949B):柔性电子压力传感装置,解决传统传感器柔性不足与信号噪声干扰问题,适配健康监测;

4.  青岛大学(CN107345840B):载银纳米纤维柔性力敏传感器,静电纺丝制备,兼具柔性与抗菌性,适配皮肤接触场景。

2018

高精度突破(三维力 / 空间分辨率)材料性能升级(自愈合 / 透气)场景精细化(脉搏监测)

1.  安徽大学(CN109520646B):三维多孔微结构复合介质层电容式传感器,以聚氨酯海绵为模板,石墨烯 / 碳纳米管 / 硅橡胶为敏感材料,高灵敏度适配机器人电子皮肤;

2.  斯坦福大学(CN112673338B):电容式触觉传感器,区分法向力 / 剪切力、静态力 / 动态力,集成于机器人 / 假肢电子皮肤;

3.  中科院宁波材料所(CN110017923B):柔性传感器含液态金属薄膜,感知伤害性外力,拓展电子皮肤功能;

4.  济南大学(CN112284579B):生物薄膜基自供电压阻式传感器,以鸡蛋膜为基底,高灵敏度适配电子皮肤、健康监测。

2019

混合传感原理(压电 - 摩擦电)仿生设计(荷叶 /  表皮结构)无源技术成熟

1.  东华大学(CN110514326B):压电 - 摩擦电混合型自驱动电子皮肤,荷叶模板制备多孔电负性薄膜,无需外部电源,确保穿戴舒适性;

2.  安徽大学(CN110793701B):高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器,“倒蘑菇” 结构,适配人机交互、康复医疗;

3.  复旦大学(CN110501095B):荷叶微棘突 / MXene 复合结构仿生柔性压力传感器,模拟人体表皮棘突,高灵敏度;

4.  中科院苏州纳米所(CN104575500B):电子皮肤应用于语音识别,柔性敏感层非平面结构,识别率高、体积小,适配可穿戴设备。

2020

新型材料主导(MXene / 离子凝胶)特定场景落地(肌电假肢)模块化设计

1.  南京邮电大学(CN111759315B):激光还原石墨烯 / MXene 复合材料自供能电子皮肤系统,激光直写制备图案化电极,兼具传感与储能功能;

2.  东南大学(CN112587285B):多模态肌电假肢系统,电子皮肤手套含红外测温 / 激光测距 / 力触觉传感阵列,实现多模态感知;

3.  中科院上海硅酸盐所(CN106197772B):MXene 材料电子皮肤,温度响应范围 0~200℃,灵敏度 0.01~1000¹;

4.  钛深科技(CN110329986B):离电子式电子皮肤,以橡胶为基体,纳米粉体为填料,适配柔性传感。

2021

环保材料(生物基 / 可降解)极端环境适配(水下   / 高温)医疗深度融合

1.  青岛大学(CN112920429B):聚乙烯醇 / 无机盐 / 聚丙烯酰胺双网络水凝胶,高拉伸、透明、导电,适配电子皮肤;

2.  陕西科技大学(CN114190923B):生物基全纤维自供电电子皮肤,基于摩擦发电机,实现压力 /  温度 / 湿度传感,生物相容性好;

3.  华南理工大学(CN112932412B):多重可逆键合自粘附电子皮肤,高导电性与形变响应性,适配可穿戴设备;

4.  中科院宁波材料所(CN113720255B):裂纹褶皱结构非晶碳基柔性传感器,适配电子皮肤、可穿戴设备。

2022

智能自适应(刚度可控)神经拟态融合 + 医疗机器人应用(手术定位)

1.  浙江大学(CN114459642B):全局刚度可控机器人仿生电子皮肤,三级感知系统(迫近 / 接触 / 负载敏感),实现动态负载自适应;

2.  中科院自动化所(CN114536382B):神经拟态灵巧手机器人,电子皮肤集成触觉传感器与仿生皮肤层,提升灵巧操作能力;

3.  深圳先进院(CN112625382A):柔性压电复合材料电子皮肤,MXene 增强 PVDF 基材料,高压电性能;

4.  安徽大学(CN113970392B):柔性接近觉与压力触觉传感器,弓梯形叠叉指电极结构,高灵敏度适配电子皮肤。

2023

AI  深度融合(内存计算)医疗手术升级 + 微纳制造升级

1.  南京农业大学(CN117385495B):导电水凝胶微纤维电子皮肤,微流控 + 3D 打印制备,可拉伸、导电,适配运动监测;

2.  中科院微电子所(CN119495341A):基于柔性 RRAM 存算阵列的电子皮肤,1T1R 结构缩小面积,提升能效;

3.  山东卓业医疗(CN116869652B):基于超声图像与电子皮肤的手术机器人,电子皮肤标记穿刺区域,优化定位精度;

4.  同济大学(CN113447073B):仿生柔性模块化电子皮肤系统,传感器单元与中央处理单元嵌入式集成,实现类皮肤感知。

2024

检测校准技术(空间分辨率)工业应用(智能焊接)驱动 -  传感一体化

1.  国科温州研究院(CN118411331A):电子皮肤空间分辨率检测方法,通过压力热图对比实物图片计算差异,简化检测流程;

2.  苏州大学(CN118809016A):智能焊接一体化平台,电子皮肤监测平整度,优化焊接质量;

3.  南京农业大学(CN117385495B):导电水凝胶微纤维电子皮肤,实现运动监测与手势识别;

4.  北京他山科技(CN108362427B):具有多功能层的接触传感器,实现接触觉与三维力测量,集成于电子皮肤与智能机器人。

2025

极端场景适配(高压 / 低温)高可靠性系统 + 工业自动化深度落地

1.  特驰莱伯有限公司(CN114521232B):柔顺三轴力传感器,含力相关活性层与三维凸起,适配软体机器人与电子皮肤;

2.  深圳市越疆科技(CN117226889A):电子皮肤系统,分时工作与数字路由传输,提升抗干扰能力;

3.  浙江大学(CN110978017B):适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤,可裁剪柔性电路连接层,灵活部署;

4.  安徽大学(CN111947813B):波纹管微结构全柔性电容式三维力触觉传感器,适配仿生机器人、康复医疗。

来源:艾邦根据电子皮肤专利搜索结果整理,如需完整PDF,请转发文章后进群咨询管理员

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作者 ab, 808