柔性传感器在智能机器人和脑机接口应用前瞻
（报告作者：国盛证券分析师 张一鸣、欧阳蕤、何鲁丽）
柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠。柔性传感器采用了柔性基板，其本质上是一种薄膜，通常采用聚酰亚胺（PI）、聚酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制成。从刚性到柔性的突破，极大拓展了传感器的应用场景，不仅是游戏领域中的智能穿戴设备，还有医疗大健康领域的电子皮肤、疾病诊断设备、健康监测设备、智能颈枕、智能按摩设备，消费领域的智能手环、元宇宙手套，智能家居领域的智能床垫，甚至是马斯克提出的脑机接口。
一、柔性传感开启智能传感新时代，市场空间有望超 500 亿
1.1 大赛道，大市场，柔性传感器连接未来
万物互联的底座，智能传感器种类多样。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。智能传感器集传感单元、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体，具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储等功能，当前，智能传感器在工业 4.0 时代扮演着十分重要的角色，
柔性传感器：智能感知时代新引擎。柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有 良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠，由于材料和结构灵活，柔性传感器可 以根据应用场景任意布置，能够方便地对被测量单位进行检测。所谓柔性，是与刚性相 对而言的，柔性传感器采用了柔性基板，其本质上是一种薄膜，通常采用聚酰亚胺（PI）、 聚酯(PET)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制成。从刚性到柔性的突破，极大拓展了 传感器的应用场景，不仅是游戏领域中的智能穿戴设备，还有医疗大健康领域的电子皮 肤、疾病诊断设备、健康监测设备、智能颈枕、智能按摩设备，消费领域的智能手环、 元宇宙手套，智能家居领域的智能床垫，甚至是马斯克提出的脑机接口。
柔性传感器种类丰富，新型材料应用带来多种可能。按照感知机理分类，柔性传感器包 括柔性电阻式传感器 、柔性电容式传感器 、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等。 按照用途分类，柔性传感器包括柔性压力传感器 、柔性气体传感器 、柔性湿度传感器 、 柔性温度传感器 、柔性应变传感器 、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等。其中， 柔性压力传感器还包括电容式、压阻式、压电式等，其所用的基础材料包括纳米线、碳 纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米颗粒、石墨烯等。
1.2 稳定性是核心指标，柔性传感器市场空间有望超 500 亿
压阻式传感器是主要研究方向，稳定性、选择性和灵敏性等是核心衡量指标。柔性传感 器中，压阻式传感器因其结构简单、易于制备、测量范围广、灵敏度高等特点受到学术 界的青睐，其主要是由弹性体聚合物和导电材料构成的复合材料制备而成的。从工作原 理来看，在外界应力的刺激下，对传感器中导电材料的电阻与电流变化进行检测是压阻 型传感器的基本原理。当传感器的结构发生变化时，导电材料的长度和横截面积随之变 化，进而引起传感器的电阻变化，但是由于形变程度有限，这类传感器并不能实现较高 的灵敏度和较大的应变检测范围。
2018 年，斯坦福大学 Choi 团队受蜘蛛关节启发提出 基于裂纹原理工作的传感器，以实现对微应变的监测，这使得导电通路大幅减少，电阻 随之增大，依靠少许连通的导电网络，传感器仍可以继续稳定工作，利用这种机制，传 感器可以在微应变下进行超高灵敏度的监测。从性能指标的衡量上看，除稳定性、选择 性和灵敏度这些用于评估传感器性能的主要指标外，衡量柔性传感器独有的方面，还包 括对机械变形的耐受性和整体集成到大型区域传感阵列，但整体看，稳定性是传感器实 用性的核心，也是加速柔性传感器商业化的关键。
柔性传感器市场空间有望超 500 亿元。根据 Allied Market Research 的预测，2020-2026 年，全球智能传感器市场规模年均增速有望超过 14%，预计到 2026 年，全球智能传感 器市场规模接近 800 亿美元。而据汉威科技微信公众号的数据，根据相关机构统计，2021 年至 2028 年全球柔性传感器市场的年复合增长率达 6.8%，预计 2028 年可达 84.7 亿美 元；另据弗若斯特沙利文预测，2019 年至 2025 年，全球柔性电子市场的年复合增长率 达到惊人的 144.71%，到 2025 年市场规模可达 3049.4 亿美元。
二、电子皮肤开启人机交互新模式，机器人和脑机接口是两大超级应用
2.1 柔性传感器下游应用广泛，医疗+机器人+智能穿戴是高成长赛道
柔性传感器下游应用领域广泛，医疗+机器人+消费电子/IOT 打开成长空间。柔性传感器下游应用包括机器人、医疗健康、航空航天、军事、智能制造、汽车安全和手机与电脑的触摸式显示屏等多领域，不同领域所呈现出的柔性传感器具备不同的特点。长期看，柔性传感器的发展将助力医疗健康、机器人、消费电子领域这三个行业迎来质变。
1）医疗健康：由于柔性传感器与医疗健康设备的天然适配，其在该领域前景非常可观，其中，常见的产品包括智能创可贴、智能绷带、柔性血氧计等。以智能创可贴为例，智能创可贴将柔性传感器、药物和医用胶带融合在一起，可以通过检测患者伤口部位的 pH值，判断伤口的愈合程度以及发炎情况，避免发生感染。更贴近人身体的还有电子纹身，其轻薄、柔软的特性使其能够良好贴合人体皮肤，捕捉生物信号，传感人类的生命体征。
若想实现人机交互，人需要“数字化”，“电子纹身”被认为是人类“数字化”的有效途径之一。除了对专业性要求较高的医疗，消费端的健康监测也有普适性产品，目前，已经有研究将纤维和柔性传感器编制在一起，制成的适应各类可穿戴设备需求的柔性传感器件。从当前的市场前沿来看，功能性服饰和运动类服饰将会是柔性传感器率先突破的两大市场。
2）机器人-电子皮肤（E-skin）：电子皮肤触觉传感器被定义为能够通过接触表征出被测物体的性质（表面形貌、重量等）或数值化接触参量（力、温度等）的设备或系统，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性地被称为电子皮肤，或仿生皮肤。电子皮肤的基本特征，是将各种电子元器件集成在柔性基板之上从而形成皮肤状的电路板，像皮肤一样具有很高的柔韧性和弹性。电子皮肤触觉传感器大多被排列成矩阵组成阵列触觉传感器，其空间分辨率可达到毫米级，接近人类的皮肤。电子皮肤在机器人领域的应用，旨在让其拥有人类的感知力，赋予其类似人类皮肤的敏感性，以及触觉、视觉、听觉、味觉和嗅觉等感知能力。当前，人形机器人的发展有望加速电子皮肤的产业落地，未来，人形机器人将会大量运用柔性电子技术。
3）消费电子及 IOT：柔性传感器在消费电子及 IOT 领域的应用包括电子眼镜、TWS 耳机、汽车智能座椅、智能穿戴等多个产品。目前，不少柔性智能传感器产品已能够提供虚拟交互体验的数据连接服务，可应用于多种虚拟现实场景，如触觉的力度感知与反馈、空间定位、动作、运动状态等识别与反馈，以及穿戴式设备的人体运动健康识别与反馈，建立虚拟人物的真实性等方面，并且还可以为人机交互技术领域的触觉设备（例如元宇宙手套等）实现触感体验提供技术支持。
2.2 柔性脑机开启新纪元，人形机器人对电子皮肤提出更高要求
脑机接口原理是在人或动物脑与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路的一种全新通讯和控制技术。在大脑与外部设备之间创建直接连接，实现脑与设备的信息交换。当人类思考时，大脑皮层中的神经元会产生微小的电流。人类进行不同的思考活动时，激活的神经元也不同。而脑机接口技术便可以靠直接提取大脑中的这些神经信号来控制外部设备，在人与机器之间架起桥梁。简单说，就是实现用意念控制机器。脑机接口作为横跨了多个学科的研究方向，除帮助无自主活动能力的病人改善生活外，还有望应用于商业、工业、娱乐等领域，乃至最终实现元宇宙世界中的数字孪生。
根据 Data Bridge Market Research 数据显示，2022 年脑机接口市场规模为 17.40亿美元，预计到 2030 年将达到 56.92 亿美元。按照外科手术标准，脑机接口设备可分为侵入式、非侵入式、半侵入式三种。其中，侵入式脑机接口是国际主流的脑机接口技术路线，需植入大脑皮层内，优点是更加靠近脑组织，脑电信号更加清晰准确，缺点是容易引起脑出血以及疤痕组织等免疫反应。非侵入式易穿戴，无需开颅手术将脑电传感器植入脑内，但信号空间分辨率较差。而半侵入式则是将脑机接口植入头皮与大脑皮层之间。侵入式脑机接口的研发风险更大，技术要求与资金门槛更高，其主要包括犹他阵列电极、血管支架电极与柔性脑机接口，其中，柔性脑机接口有 1024 条通道，机器人自动植入。
人机交互加速推进，柔性脑机取得突破性进展。当前，柔性脑机接口的代表企业为 Neuralink，2022 年 11 月，马斯克宣布 Neuralink 已经向 FDA 提交了大部分文件，审核 通过后约六个月内，将在人类身上植入第一个 Neuralink。此次获批人体临床实验的最新 植入式设备 N1 体积仅为硬币大小，由电池供电，可进行无线充电。在其获批开展人体 实验之前，Cyberkinetics 公司的犹他阵列电极于 2004 年获得 FDA 上市，并开展了首次 关于运动皮层脑机接口临床试验，尝试通过运动意图来完成对机械臂的控制；2021 年， Synchron 公司的血管支架电极获得 FDA 批准在美国开始人体试验，并于 2022 年 7 月宣 布在美国首次植入脑机接口。
至此，柔性脑机接口终于与大部队汇合，三种技术路线的 侵入式脑机接口均已介入人体临床。脑机接口行业有望迎来产业化的加速落地，也表明 柔性传感器在细分应用场景下的进一步成熟。
人形机器人对电子皮肤提出更高要求。特斯拉人形机器人的推出将聚光灯再次汇聚在人 形机器人这一赛道上，特斯拉对于机器人的未来构想要求机器人要尽可能模拟人体的触 觉，以及实现人体皮肤对温度、湿度等外界物理量的感知，这对于电子皮肤提出更高要 求，要求其具备更加稳定且完善的功能。长久以来，学界对电子皮肤进行大量研究，目 前主流的研究方向，是采用新材料和新制作技术去实现柔性化、交互式以及采用新材料 和新结构实现弹性化、透明化。
三、柔性传感器国内外产业化加速，学术研究为高阶性能蓄力
3.1 Interlink 持续深耕 FSR 系列，终成全球领先 HMI 解决方案提供商
Interlink 是全球领先的人机界面（HMI）解决方案提供商，在 FSR 上拥有 35 年经验。
Interlink Electronics 的 Force Sensing Resistor®技术是当今市场上最通用的柔性力敏感应技术，35 年前，公司将第一批 FSR 推向市场，Interlink 的标准超薄压力传感器为用户提供耐用、可靠、易于测量且低成本的解决方案，适用于 HMI 的触摸应用、机器模拟数据采集、传感器融合解决方案和物联网设备。Interlink 持续在柔性力觉传感器上持续深耕，目前具有电阻、压电、电容、混合传感和传感器输出技术，且将相应的技术广泛应用于位置、触摸点等传感器上，可根据用户不同的需求提供不同的集成方案。
三大 FSR 柔性传感器系列性能优异，下游应用行业广泛。Interlink Electronics 从 1985 年至今，柔性力感应传感器的技术有了非常大的改进，但是其基本架构基本保持不变， 至今公司在 FSR 领域已经拥有 FSR UX 400/FSR X 400/FSR 400 三大系列，尖端的 UX400 系列提供从 0.5N~150N 的动态感应范围，X400 系列的拓展力觉范围达 0.3N~50N，400 系列的动态力觉感应范围达 0.2~20N，FSR 系列具有能够承受数百万次的驱动、改进的 线性度、超薄外形、可针对广泛的应用进行定制和具有成本效益且易于集成的主要特征， 已被用于无数行业，包括汽车、机器人、医疗和消费电子产品等。
3.2 汉威科技：子公司能斯达实现国产化替代，柔性传感器技术国内领先
公司是国内知名的气体传感器及仪表制造商、物联网解决方案提供商。公司以传感器为核心，将传感技术、智能终端、通讯技术、云计算和地理信息等物联网技术紧密结合，形成了“传感器+监测终端+数据采集+空间信息技术+云应用”的系统解决方案，业务应用覆盖物联网综合解决方案及居家智能与健康等行业领域，在所涉及的产业领域中形成了相对领先的优势。
能斯达已掌握柔性压阻、压电、温湿度和电容四大核心技术，实现国产化完全替代。国内柔性传感器已经产业化的上市公司有能斯达，能斯达是汉威科技控股子公司，其不断优化“柔性感知技术+采集系统+人机交互”的解决方案，目前已经形成四大核心技术、七大产品系列（柔性压力、压电、织物、应变、温湿度、热敏和电容传感器），柔性微纳传感技术水平及产业化程度国内领先，并广受资本瞩目。能斯达在柔性压电传感器领域掌握自主知识产权，实现国产化完全替代，相关产品已在三甲医院进行临床实验，柔性微纳传感器目前已在智能机器人领域有明确的应用，并与小米科技、九号科技、科大讯飞、深圳科易机器人等积极开展业务合作，后续发展空间广阔。
能斯达具有自主知识产权的 ZNS-01 柔性薄膜压力传感器具有灵敏度高、超薄、响应速度快等优良性能。ZNS-01 是苏州能斯达电子拥有自主知识产权的柔性压力传感技术在柔韧轻薄材料上印刷附着力强、耐弯折、灵敏度高的柔性纳米功能材料，使其实现对压力的高灵敏度检测。可广泛应用于人机交互、智能机器人、可穿戴设备、生理健康检测等领域，ZNS-01 可用于机器人触觉感知传感器、智能手套上压力检测等。产品优势明显：超薄（厚度小于 0.3mm）、功耗低、稳定性优异、响应速度快、灵敏度高、检测范围宽、检测电路简单以及不同尺寸外形传感器可定制。
3.3 电子皮肤存在多种可行性途径，国内外顶尖科研团队先行探路
国内外主要的科研团队如美国加州大学、新加坡国立大学、美国斯坦福大学和中国科学院等对于柔性传感器、电子皮肤的研究进展皆处于迈向更高阶性能的阶段，他们的研究成果已经表明了电子皮肤的可行性，未来应用于产业或是星辰大海。
a）新加坡国立大学研究进展：机器人实时健康监测和传感能力需要柔性电子器件的支持，柔性器件与刚性器件不同的是弹性和柔性会使其可重复性较差，即存在迟滞现象。对此新加坡国立大学研发出了一种称为触觉电阻环状裂纹电子皮肤（TRACE）传感器，可以解决使用软材料时触觉传感器的灵敏度和迟滞问题，该传感器的
b）美国加州大学/青岛大学研究进展：在《Advances in Wearable Strain Sensors Based on Electrospun Fibers》一文中，研究者详细论述了电纺纤维应变传感器的的结构和制备工艺，电纺纤维应变传感器具有连续性、低成本、透气和重量轻等优点，是柔性传感器的高性能结构之一，该文还探讨了基于静电纺丝纤维的可穿戴应变传感器在生物监测、运动检测和人机交互中的应用。
c）中国科学院研究进展：近期中科院金属研究所研制了一种灵敏度与裂纹类传感器相当（GF>1000）且机械稳健性优异的柔性应变传感器，该传感器具有高循环稳定性（10000次循环）、对恶劣环境的强耐受性、与裂纹传感器相当的高应变系数（>1000）和快速响应时间（<58ms）。最后，传感器被集成到一个无线、低成本、轻便的可穿戴手语翻译系统中。在机器学习的帮助下，21 种手语的翻译证明了超过 98%的识别率，有助于实现手语者和非手语者之间的无障碍交流，在手势交互方面具有广阔的应用前景。
d）美国斯坦福大学研究进展：2022 年斯坦福大学的工程师们开发出了一种紧凑自主可以测量皮肤下肿瘤尺寸的灵活性设备（FAST 设备），该设备的核心是具有一个可拉伸的柔性传感器，该研究的突破之处在于 FAST 设备的柔性电子材料，在皮肤状聚合物上面涂上一层金，当被拉伸时，该聚合物会出现小裂缝，从而改变材料的导电性；拉伸材料裂缝的数量增加，导致传感器的电子电阻也增加；当材料收缩时，裂缝重新接触，导电性能得到改善。
e）奥地利格拉茨技术大学研究进展：其固态物理研究所 Coclite 团队通过一种新工艺，成功开发出用于下一代人工电子皮肤的 3 合 1 混合材料“智能皮肤”。这种“智能皮肤”与人类皮肤非常相似，它可以同时感知压力、湿度和温度，并产生电子信号。其每平方毫米有 2000 个单独的传感器，这种混合材料甚至比人类的指尖更敏感。每个传感器都由独特的材料组合组成，内部以水凝胶形式存在的智能聚合物和压电氧化锌外壳。各个传感器层非常薄，同时配备了覆盖整个表面的传感器元件。这在全球独一无二的过程中成为可能，研究人员首次结合了 3 种已知的物理化学方法：用于水凝胶材料的化学气相沉积，用于氧化锌的原子层沉积，以及用于聚合物模板的纳米打印光刻。
当前电子皮肤触觉传感器的研发仍存在一些问题：
1）电子皮肤阵列触觉传感器需要兼顾高柔性和高弹性。人们期待新型的电子元件能够弯曲、延展、挤压、扭转或变形成复杂的曲面形状，电子皮肤阵列触觉传感器作为柔弹性电子元件的一种，为了模拟人类皮肤能够覆盖于机器人等载体复杂的三维表面和活动关节，必须具有很高的柔弹性。要想实现人类手腕部位的拉伸，仿生皮肤的弹性范围应该在 30%左右，因此，优化仿生皮肤触觉传感器，实现其在大拉伸率状态下正常工作是研究的重点与难点之一。
2）大面积电子皮肤触觉传感器可扩展性难题。人类皮肤是人体面积最大的器官，一个成年人的皮肤展开面积约 2 平方米，质量约为人体质量的 1/20，厚度因人或部位而异，为 0.5（如眼皮皮肤）-4mm（如足底部皮肤）。为了模拟人类皮肤，电子皮肤触觉传感器需要能够任意剪裁和拼接同时保证正常工作，就必须具备良好的可扩展性。
3）高灵敏度电子皮肤触觉传感器制造成本高。高灵敏度电子皮肤触觉传感器的制作通常涉及聚合物微加工、氧等离子体处理、电子束蒸镀、磁控溅射等复杂的工艺和技术，相应的设备价格高昂。另外制作电子皮肤触觉传感器的材料普遍比较昂贵，因而成本较高，还要考虑制作触觉传感器的时间成本，这也会大大增加触觉传感器的制作成本，从而限制了电子皮肤触觉传感器的大批量生产。未来，随着化学、材料科学和先进制造技术的进步，通过选取常见的和易于得到的材料，利用先进制造技术，简化传感器阵列的结构等方法以降低电子皮肤的制造成本，电子皮肤大批量生产有望实现。
风险提示
智能机器人行业发展速度不及预期风险：智能机器人行业有望带来大量传感器需求，推动行业扩容，但智能机器人涉及到多个领域和学科，是复杂度极高的细分赛道。若行业发展速度不及预期，则会影响相关产业链需求。
机器人供应链不确定性风险：机器人涉及零部件众多，覆盖机器人本体、伺服系统、减速器、视觉系统、语音系统等多条产业链，供应商相对丰富，因此供应链公司存在不
持续研发投入导致亏损风险：智能机器人或人形机器人的应用场景、技术方案均尚未完全落地，对应对即将到来的新市场，相关公司可能持续保持高研发投入，对未来一段时间的利润造成不利影响。
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