在打造更智能、更逼真的機(jī)器人道路上，“皮膚”正成為突破關(guān)鍵。相比傳統(tǒng)剛性材料，具備柔性、伸展性與感知能力的“電子皮膚”正逐步走入主流視野。這類柔性傳感器不僅具有柔性化、靈敏性、伸展性和柔韌性等特征，還能模擬人類的觸覺與感知。

電子皮膚（E-skin）：是一種能夠模仿人類皮膚結(jié)構(gòu)和感知功能的柔性電子系統(tǒng)。它不僅能讓機(jī)器人“感受”到壓力、溫度、濕度、紋理等外界刺激，更能通過與人工智能等技術(shù)的深度融合，提升機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和智能交互水平。

目前市面上主要有五大類觸覺傳感器類型，按原理分為壓阻式、電容式、壓電式、摩擦式，本期小明就來跟大家分享一下

壓阻式電子皮膚

壓阻式是最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)路線之一，核心利用壓阻效應(yīng)，即材料受壓力后電阻發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸覺感知。

壓阻式電子皮膚一般由 “柔性基底 + 壓阻敏感層 + 電極” 組成，當(dāng)靈巧手接觸物體時(shí)，壓力使壓阻層發(fā)生形變，導(dǎo)致其內(nèi)部導(dǎo)電通路的數(shù)量或接觸面積變化，進(jìn)而引起電阻值改變；通過檢測(cè)電阻變化量，可反推壓力大小和分布。

因?yàn)榧夹g(shù)成熟、成本相對(duì)較低，可以滿足一般的壓力感知需求，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

電容式電子皮膚

電容式是通過電容變化來實(shí)現(xiàn)觸覺感知。柔性介質(zhì)受壓后極板間距或有效面積變化，引起電容值變化，可同時(shí)檢測(cè)三維力。這種技術(shù)的特點(diǎn)是靈敏度較高，響應(yīng)速度快，同時(shí)可以提供比電阻式更好的線性度。

結(jié)構(gòu)上，電容式觸覺傳感器一般是“柔性上下電極 + 介電層” 的平行板電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)施加壓力時(shí)，介電層被壓縮，極板間距減小，使得電容增大，通過電容的變化可以推算出壓力的大小。

由于靈敏度高，在一些高端的靈巧手上，需要檢測(cè)微小壓力的場(chǎng)景中會(huì)應(yīng)用到電容式傳感器

壓電式電子皮膚

壓電式是利用壓電效應(yīng)，即材料受機(jī)械應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生極化電荷，輸出瞬態(tài)脈沖信號(hào)，反之受電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生形變的原理實(shí)現(xiàn)觸覺感知，核心優(yōu)勢(shì)是無需外部電源即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力檢測(cè)。當(dāng)靈巧手接觸物體時(shí)，壓電材料受壓力產(chǎn)生電荷，電荷經(jīng)采集電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度與壓力大小成正比。

不過壓電式有特殊的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，在響應(yīng)速度極快的同時(shí)，只能測(cè)動(dòng)態(tài)/瞬態(tài)力，無法感知靜態(tài)力。這是因?yàn)殪o態(tài)壓力下電荷會(huì)隨時(shí)間泄露，無法穩(wěn)定檢測(cè)，所以需要常與其他技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn) “動(dòng)靜雙?！?感知。

摩擦電式電子皮膚

摩擦電壓力傳感器，利用了摩擦起電的原理，具有成本低、制備流程簡單和輸出電壓高的優(yōu)點(diǎn)。它一般由上下兩個(gè)電極和中間負(fù)責(zé)摩擦生電的不同材料構(gòu)成，兩層材料之間有一層薄薄的空氣。

當(dāng)外加壓力時(shí)，兩種不同帶電序列的材料相互接觸，摩擦起電現(xiàn)象發(fā)生，在接觸界面兩側(cè)產(chǎn)生相反的電荷；當(dāng)壓力釋放后，帶等量相反電荷的兩個(gè)表面被自動(dòng)分離，由于靜電感應(yīng)現(xiàn)象分別在電極表面產(chǎn)生補(bǔ)償電荷；材料之間的空氣層使兩個(gè)表面上的電荷不能完全中和, 形成電位差。這種機(jī)制使摩擦電型壓力傳感器可以在壓力作用并釋放后產(chǎn)生電信號(hào)。

SENSE EVERYTHING

四類原理對(duì)比

① 電容式壓力傳感器采用簡潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備靜態(tài)力與動(dòng)態(tài)力雙模檢測(cè)能力，具有低漂移特性，但易受外部電磁場(chǎng)干擾，且靈敏度受限于介電層的可壓縮性。

② 電阻式壓力傳感器同樣具備靜態(tài)力與動(dòng)態(tài)力檢測(cè)能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電容式相當(dāng)，但存在較明顯的信號(hào)漂移現(xiàn)象，優(yōu)勢(shì)在于抗電磁干擾能力較強(qiáng)。

③ 壓電式壓力傳感器以快速響應(yīng)為特點(diǎn)，主要適用于動(dòng)態(tài)力檢測(cè)場(chǎng)景，其突出優(yōu)勢(shì)在于無需外部電源即可實(shí)現(xiàn)自供電。

④ 摩擦電式壓力傳感器專注于動(dòng)態(tài)力檢測(cè)，具有制造成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高及自驅(qū)動(dòng)特性等多重優(yōu)勢(shì)。

從應(yīng)用場(chǎng)景看，電容式與電阻式傳感器適用范圍較廣，但在惡劣環(huán)境下需定期更換電源，維護(hù)成本較高。相比之下，壓電式與摩擦電式傳感器憑借自供電特性，可實(shí)現(xiàn)長期野外無人值守監(jiān)測(cè)，顯著降低運(yùn)維成本。