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觸覺傳感器：注重技術(shù)創(chuàng)新，MEMS 技術(shù)優(yōu)勢明顯
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-11-01

觸摸為人類進行協(xié)調(diào)交互的主要方式之一。觸覺將壓力、振動、疼痛、溫度等多種感覺信息傳遞至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，幫助人類感知周圍環(huán)境，避免發(fā)生危險。與視覺和聽覺相比，人類的觸覺在處理物質(zhì)特征和細節(jié)形狀方面更勝一籌。

人類的觸覺基于感覺輸入部位區(qū)分為皮膚和動覺。皮膚感知系統(tǒng)接收來自嵌入皮膚的感覺輸入，動覺感知系統(tǒng)接收來自肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)的感覺輸入。在此基礎(chǔ)上，可細分為皮膚、動覺、觸覺三種感覺系統(tǒng)。

其中，皮膚系統(tǒng)通過與物體接觸的刺激信號傳輸至中樞神經(jīng)系統(tǒng)獲得感知；動覺系統(tǒng)主要通過肌肉、關(guān)節(jié)和皮膚的傳入信息以及大腦可用的肌肉效能的相關(guān)聯(lián)系提供有關(guān)靜態(tài)和動態(tài)身體姿勢的信息；觸覺系統(tǒng)利用來自皮膚和動覺系統(tǒng)關(guān)于物體和事件的重要信息。

與人類觸覺基本無異，機器人的觸覺傳感系統(tǒng)可以幫助機器人理解現(xiàn)實世界中物體的交互行為，通過接觸來測量在預(yù)定區(qū)域內(nèi)的物體屬性的裝置或系統(tǒng)。隨著配置的先進程度，能提升機器人觸覺應(yīng)用能力，能有效的感知周圍環(huán)境并輸出相應(yīng)精確信息。根據(jù)《智能機器人用觸覺傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀》，機器人的觸覺感知過程被劃分為傳感、感知、動作三個不同層次的功能塊，這些功能相對應(yīng)的是硬件上的功能工具（感知、控制、行動）。

觸覺感知過程中，將從外部的壓力、震動、熱刺激轉(zhuǎn)化為信號輸入到觸覺傳感器的元件。將采集數(shù)據(jù)進行處理后傳輸?shù)礁呒墑e的感知元件以構(gòu)建模型、感知交互對象屬性。在此過程中，觸覺將融合聽覺、視覺感知，結(jié)合對機器人施加命令，以便于控制機器人完成所需任務(wù)操作。

機器人需多種傳感器相互配合以進行工作或完成智能交互任務(wù)指令。具體任務(wù)來看，使用觸覺信息（接觸點估計信息、表面法向和曲率等）作為機器人的控制參數(shù)，以提高操作精確度進行操作任務(wù)；通過測量法向靜態(tài)力來檢測物體滑動情況進行抓握任務(wù)（將接觸力的測量值用于輔助抓握力控制）。

結(jié)合前兩種任務(wù)方式，加以判斷施加操作用力的方向，通過調(diào)節(jié)以達到用力平衡，保證抓握的穩(wěn)定性。同時，疊加減速器、電機、力傳感和視覺傳感等核心零部件相互作用來完成智能交互任務(wù)。如特斯拉在 X 平臺展示擎天柱進行電池分揀任務(wù)。

觸覺傳感技術(shù)多樣化發(fā)展，人形機器人已使用指間傳感器。為應(yīng)對作業(yè)多樣化發(fā)展，觸覺傳感技術(shù)發(fā)展提速。最早的機器人觸覺傳感技術(shù)研究可追溯至 20 世紀 70 年代。隨后 80 年代傳感器技術(shù)飛速發(fā)展，基于電、磁、超聲波等原理和方法的傳感器陸續(xù)面世。90 年代開始，陣列式傳感器和集成式傳感器為觸覺傳感技術(shù)研究提供更高維度的數(shù)據(jù)源。

進入 21 世紀，硬件平臺和軟件分析技術(shù)愈發(fā)成熟，助推觸覺傳感技術(shù)加速發(fā)展。同時，機器人作業(yè)環(huán)境不斷向非結(jié)構(gòu)化、復(fù)雜化發(fā)展，面向非工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用需求逐漸涌現(xiàn)，不斷拓寬觸覺傳感器下游應(yīng)用領(lǐng)域。目前，觸覺傳感器主要下游應(yīng)用領(lǐng)域有機器人、醫(yī)療、智能家居、航天航空、自動駕駛等。

從技術(shù)原理角度，觸覺傳感器有壓阻式、光電式、電容式、電感式、壓電式。

壓阻式觸覺傳感器：利用彈性體材料的電阻率隨壓力大小變化的性質(zhì)制成。當外力作用在傳感器時，彈性體發(fā)生形變，導致電阻變化，進而將機械刺激轉(zhuǎn)化為電信號。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)自動化、汽車行業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、消費電子等。

光電式觸覺傳感器：采用一種嶄新的測量壓力手段，是基于全內(nèi)反射原理進行研制，通常由光源和光電探測器構(gòu)成。當施加在界面上的壓力發(fā)生變化時，傳感器敏感元件的反射強度和光源頻率會相應(yīng)發(fā)生變化。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能家居、安全系統(tǒng)等。

電容式觸覺傳感器：在有外力作用時，其兩極板間的相對位置間距發(fā)生變化，從而導致電容變化，通過檢測電容變化量來獲取受力信息。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能家居、安全系統(tǒng)等。下游應(yīng)用場景包括觸摸屏技術(shù)等。

電感式觸覺傳感器：在外力作用下發(fā)生磁場變化，并把磁場的變化通過磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號，從而感受接觸面上的壓力信息。下游應(yīng)用場景包括位置檢測、金屬探測等。壓電式觸覺傳感器：利用壓電效應(yīng)，當材料受到外力作用時，產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換為可測量的電信號，用于判斷施加的力或振動。但隨著時間的推移，壓電式觸覺傳感器電壓輸出值會降低，因此適合檢測動態(tài)力。下游應(yīng)用場景包括振動監(jiān)測等。

目前，國內(nèi)外市場仍以海外龍頭企業(yè)主導，2023 年全球觸覺傳感器市場規(guī)模為 13.46億美元，預(yù)計 2030 年市場規(guī)模將達到 30.70 億美元，年復(fù)合增長率約為 12.51%。由于各技術(shù)原理的優(yōu)劣各不相同，在工業(yè)自動化場景或在機器人應(yīng)用中所使用的場景均有所不同。其中，因壓阻式觸覺傳感器制作成本低、高靈敏度等因素，其應(yīng)用最為廣泛。根據(jù) Exactitude Consultancy，2022 年全球觸覺傳感器下游應(yīng)用領(lǐng)域占比前三分別為制造業(yè)（42%）、航天航空&國防（27%）、汽車行業(yè)（17%）；使用率較高的觸覺傳感器分別為壓阻式觸覺傳感器（37%）、電容式觸覺傳感器（28%）。

微機電系統(tǒng)技術(shù)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）將機械構(gòu)件、光學系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng),能夠在極小的空間內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的功能。MEMS 觸覺傳感器技術(shù)是其中一個重要分支，通過微型化傳感器感知物體的表面特性，如硬度、粗糙度和壓力等，為智能機器人、醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用提供關(guān)鍵的觸覺反饋。與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS 傳感器具備體積較小、成本低、靈敏度高、響應(yīng)快等特點，廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動化、機器人等領(lǐng)域。

MEMS 傳感器市場規(guī)模保持增長，海外企業(yè)占據(jù)主導地位。根據(jù) Mordor Intelligence，預(yù)計 2024 年全球 MEMS 傳感器市場規(guī)模為 171.80 億美元，2029 年市場規(guī)模將增長至266.50 億美元，年復(fù)合增長率為 9.17%。根據(jù)《2023 中國傳感器企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展白皮書》，預(yù)計 2023 年國內(nèi) MEMS 傳感器市場規(guī)模為 1137.30 億元，同比增長 8.91%，2023-2025 年市場規(guī)模將呈增長趨勢。

競爭格局方面，全球市場份額由海外企業(yè)意法半導體、應(yīng)美盛、Bosch Sensortec、亞德諾半導體、村田等企業(yè)占據(jù)較大比例。國內(nèi)市場方面，第一梯隊國內(nèi)企業(yè)包括歌爾股份、韋爾股份等，第二梯隊的企業(yè)包括華天科技、蘇州固锝等，第三梯隊的企業(yè)包括敏芯股份、漢威科技等。

BioTac 觸覺傳感器（手指型仿生觸覺傳感器/指尖觸覺傳感器）是一種多傳感技術(shù)融合，多應(yīng)用于人形機器人或靈巧手的觸覺傳感器。特斯拉擎天柱二代已使用指尖觸覺傳感器，實現(xiàn)在機器人指尖對力的精準控制，靈巧的使用兩指捏雞蛋并進行雙手的交互。

根據(jù) IFR 和 GGII，我們對人形機器人和協(xié)作機器人未來需求量進行假設(shè)估算，同時假設(shè)每個機器人雙手共用 10 個指尖觸覺傳感器。根據(jù)欣佰特平臺數(shù)據(jù)，2024年指尖觸覺傳感器 5000 元/個，考慮到技術(shù)更新迭代快速，成本將呈逐年下降趨勢。預(yù)計 2024年指尖觸覺傳感器全球市場規(guī)模為 45.73 億元，中國市場規(guī)模為 27.34 億元。

隨著技術(shù)發(fā)展，我們認為觸覺傳感器未來技術(shù)更注重技術(shù)創(chuàng)新。MEMS 技術(shù)發(fā)展進程加速，助推觸覺傳感器進一步實現(xiàn)微型化、集成化，提升便攜性與可靠性。此外，多技術(shù)融合將進一步提高觸覺傳感器在下游行業(yè)的重要性，滲透率有望持續(xù)提升。最后，技術(shù)的不斷進步和不同應(yīng)用需求的增加和演變，進一步拓寬觸覺傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。