在人类不断探索物理世界的过程中，我们的五感体验一直发挥着举足轻重的作用。大量围绕视觉、听觉体验的技术创新走进了我们的生活。而在这些感知之外，围绕触觉体验的应用则受制于传感器技术瓶颈迟迟无法突破。令人兴奋的是，随着科技发展，无论是欧美日韩等传统传感器强国，还是中国这样正在崛起的后起之秀，都已认识到触觉传感技术背后所潜藏的宝藏。据知名国外咨询机构VMR预测，2028年触觉传感器市场将达到260.8亿美元。

《VMR：全球触觉传感器市场规模预测》

作为触觉传感技术领域的后来者，中国在高端触觉传感器的研发、制造、应用、市场等方面，跟传统触觉传感器强国相比均处于明显弱势地位。触觉传感器也是我国重点攻坚的35项“卡脖子”技术之一。

目前，80%以上的高端触觉传感器市场把握在国外厂商手中，但我国作为后来者亦有后发优势。如同勇士斗恶龙故事里所描述的，宝藏虽诱人，但寻宝路上的荆棘和难题，却一点不少。我国在触觉传感器领域想要走在世界前列，还有很多难题亟待解决。

人类触觉的产生和传递是涉及到人类皮肤、触觉感受器、神经系统、大脑的综合性生理过程。

19世纪，伴随生理学的发展和观测手段的进步，尤其是帕西尼小体和默克尔细胞等触觉感受器的发现，揭开了触觉生理学研究的序幕。由于应用场景缺乏，相对于视觉、听觉的研究，触觉感知技术在近一个世纪的时间里进展寥寥。一直到20世纪60年代，由于触觉传感器在机器人力控和智能方面的亮眼表现，针对触觉感知机理和触觉传感器的研究才被研究人员重视起来。

人体的典型触觉感受器

近年来，科学家已经能够在生物学框架内对人类触觉的产生和传递进行较为完整的解释，然而由于机械、材料、电子、精密制造等技术难题，让完美复现人体触觉传感机制的研究进展缓慢。但是对该机理的研究，极大的推动了触觉传感器的发展。通过模仿人体触觉传感机理，并使用创新的柔性材料，我国触觉传感器厂商帕西尼感知科技已能够生产满足工业生产耐久度的阵列式触觉传感器产品，并在参数上处于国际领先。

在实际应用中，触觉感知和交互的二重属性依然是目前最难解决的问题之一。人类皮肤不仅是感知器官，同时也是互动器官。而现实研究中，触觉感知和触觉反馈是两种不同的技术。

触觉感知技术专注于测量触觉信息，触觉传感器是该项技术最广泛的技术产品之一，常见的应用场景包括让残疾人或者机器获得触觉、测量空间力、人机交互、健康监测等；而触觉反馈技术则专注于让设备模拟触摸，通常通过气泡阵列、磁针阵列、震动器等装置的频繁震动，来赋予虚拟形象互动和反馈能力，以让人感觉到被触摸、反作用等，例如触觉反馈手套、部分可穿戴设备等。

除此以外，人类皮肤天生具有的柔韧性和自愈能力，也吸引了众多科学家深入研究。尤其是自愈能力，对于大规模的工业应用意义重大，遗憾的是，目前还没有好的解决方案让电子皮肤具有相同的特性。

触觉传感器在实际应用中，通常需要装配于机器人关节、可穿戴设备内或者覆盖在形态各异的三维表面，而且往往需要弯曲、延展、挤压、扭转或变形成复杂的形状。这就要求阵列式触觉传感器必须具有很高的柔弹性。

一款电子皮肤

为了解决柔弹性的问题，已有的阵列式触觉传感器通常会有两种技术路径。

一种解决方案是通过拼接多个触感元件实现触觉传感器的阵列式、柔性化。例如日本东京大学就曾基于有机场效应晶体管开发了压力测量的电子皮肤柔性压阻式阵列触觉传感器。此传感器在保证较低成本并可大面积制作的基础上，实现了柔性化; 随后引入“网格”结构使得传感器能被拉伸 25%同时测量接压力。

一款典型的阵列式触觉传感器

但该种方法存在单体元件间互相干扰、分辨率差的缺点，同时，电子元件往往比较脆弱、易断裂，尤其在动态表面和活动关节的应用中，难以达到实际测量的需求。

柔性材料通常具有更理想的接触表面特性和可伸缩性。基于柔性材料和微电子电路，根据柔性材料的特性变化来测量触觉信息，成为更流行的研究方向。柔性材料触觉传感器具有柔性好、耐久度高、更易贴合物体等优势。但是该类触觉传感器对材料要求很高，同时测量的一致性较难保证。材料在经过多次使用以后，测量结果产生的漂移和误差会越来越大。在实际应用中，耐用度和分辨率也是该类型触觉传感器是否能够商用的重要指标。

一款镓铟材质的柔性电子皮肤

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，从而限制了电子皮肤触觉传感器的大批量生产。因此，要解决柔性化和多维力检测兼容的难题，除了检测方法的创新，更依赖材料科学本身的发展。目前，能够贴合于复杂的三维静/动态表面，并能准确完成测量任务的阵列式触觉传感器还非常少。

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。为了模拟人类皮肤，触觉传感器阵列需要具有良好的拼接性，以适应不同尺寸和形状的测量表面。这就要求触觉传感器具备可以自由扩展的特性。

虽然在对单个传感单元的研究中，无论是传感单元的灵敏度、分辨率、柔弹性等性能都已经取得突破，但是阵列式触觉传感器在成本、拼接、串扰等难题上的进步空间还很大。

电子皮肤用于人机交互

目前，高端触觉传感器一来价格昂贵，大面积部署成本很高；二来，触觉传感器在扩展以后会带来大量的走线，测量环境和电路也会发生变化，这对测量结果的一致性带来挑战；第三，基底材料、触感材料的拼接、电子电路的连通都会让测量过程有更多未知干扰，进而造成测量数据失真，即使是同质传感器的融合，调节起来也并非“1+1=2”那么简单。

传统传感器的信号转化路径一般遵循以下流程：传感器将信号从其他物理波形转换成电流或电压波形，然后通过数字电路对这些波形进行处理，并以电磁波的形式传输，再由另一个传感器接收和转换成需要的信号形式。

而阵列式触觉传感器，一次测量往往会涉及三维力，甚至温度、硬度等多种物理量；如果是集成式触觉传感器，单体触觉感知单元信号相互之间也会产生干扰。所以，触觉传感器的标定机制远复杂于其他类型传感器。

触觉传感器图形处理系统示例

从触觉传感器的标定方法来看，传统的标定方法是利用数学模型来计算物理量，但是对于高精度、干扰性强和变量较多的的物理量标定场景，数学模型会异常复杂，但精度却不一定保证。因此，研究人员现在会利用图形处理系统和AI来完成传感器的纠偏和标定。利用大量的实验和AI情景模拟，能够形成触觉传感器的标定数据库，实际测量中，AI直接从数据库调用参数，来完成触觉传感器的标定。

传感器属于工艺复杂的工业产品，它的制造会涉及到材料、芯片、电子电路等多个学科，冗长的制造流程要求其每个制程都精细求精，否则，积累的误差会让传感器的精度指数级下降，这是触觉传感器制造的第一个坎。

而在整个制造过程中，所需要的设计软件、制造设备、测量&校准的元器件等，构成了影响触觉传感器从实验室走向工业场景的第二道坎。例如，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，而且相应的设备价格高昂。

还有一个影响因素在于：应用场景的不同，会导致所需的触觉传感器规格也会有差异。厂商花费大力气构建的传感器产线，接到的订单往往是多规格小批量的。因此，传感器制造厂商在研发过程中，就要考虑到生产制造流程的敏捷性，尤其是触觉传感器，在实际应用中，较为依赖与应用厂商共同开发，以实现大规模的应用。

触觉传感器在制造端也正在出现一些新技术，并有替代以往制造工艺的趋势。

聚合物微机械加工工艺等新型制作方法和3D打印技术逐步兴起，在部分领域颠覆了传统的设计和制造方式，为电子皮肤触觉传感器的柔弹性的实现创造了新的可能。

另外，在柔性化和集成化方面，随着微电子技术的飞速发展、微米/纳米技术的问世，以及大规模集成电路工艺技术的日臻完善，集成电路器件的密集度越来越高。同时，各种数字电路芯片、模拟电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片的价格大幅度下降，对触觉传感器的发展起到极大的推动作用。

集成化智能传感器又促进微机械加工技术的发展，形成了与传统的经典传感器制作工艺完全不同的现代传感器技术。

例如，利用微加工技术，已可以在1cm²大小的硅片上制作含有几千个压力传感器组成的阵列。集成化应变计式面阵列触觉传感器就是在8mm×8mm的硅片上制作出来的，它包含1024个（32×32）敏感触点（桥），硅片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约16000个。敏感元件阵列化后，配合相应图像处理软件，可以实现图像成像，还可以构成多维图像传感器。

整个工业生态中，高端触觉传感器属于相对较新兴的类目，但是其所面向的都是先进科学领域。人类想象力所及的仿人机器人、虚拟现实、手术机器人、健康检测等，无不处处需要触觉传感器的支持。

目前，触觉传感器尚处于爆发阶段，应用场景被不断发掘，国产触觉传感器正迎来超越的契机。国产触觉传感器的崛起，需要全产业链各个节点攻坚克难，从研发、制造到应用紧密融合，共建传感器生态，国产厂商才能从国外触觉传感器厂商的壁垒中突围。