瞻觀前沿

皮膚作為人體最大的器官，其內(nèi)部密布著高密度且三維分布的觸覺感受細(xì)胞，能夠精確捕捉外界的各種力學(xué)刺激。然而，在電子皮膚的研發(fā)過程中，如何模擬并超越這一復(fù)雜而精細(xì)的感知機(jī)制，一直是科學(xué)家們面臨的巨大挑戰(zhàn)。

近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組成功研制出全球首個具有仿生三維架構(gòu)的新型電子皮膚系統(tǒng)。該電子皮膚系統(tǒng)以其獨(dú)特的三維架構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對壓力、摩擦力和應(yīng)變?nèi)N力學(xué)信號的同步解碼與感知，對壓力位置的感知分辨率約為0.1毫米，該精度幾乎可以媲美真實(shí)皮膚，極大地提升了電子皮膚在觸覺感知方面的精確性和靈敏度。目前該科研成果屬于世界首個，相關(guān)論文發(fā)表在最新一期的國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

張一慧教授團(tuán)隊首次提出具有三維架構(gòu)的電子皮膚設(shè)計概念，這款仿生三維電子皮膚由精心設(shè)計的表皮、真皮和皮下組織三層結(jié)構(gòu)組成，每一層都精心模擬了人體皮膚對應(yīng)層的質(zhì)地與功能。傳感器及電路在皮膚內(nèi)部以不同深度分布，形成了一個高度協(xié)同的感知網(wǎng)絡(luò)。其中，靠近皮膚表面的傳感器對外部作用力極為敏感，能夠迅速捕捉到細(xì)微的觸感變化;而深層的傳感器則對皮膚的整體變形有著更為深刻的感知，兩者相互配合，實(shí)現(xiàn)了對力學(xué)信號的全面捕捉與精準(zhǔn)解析。

當(dāng)電子皮膚與外界物體接觸時，其內(nèi)部的傳感器陣列立即啟動，協(xié)同工作，將收集到的復(fù)雜信號通過高效的傳輸與提取處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。結(jié)合先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)算法，這些信號被轉(zhuǎn)化為對物體軟硬、形狀等特性的精確感知，使得電子皮膚具備了類似于人類皮膚的觸覺認(rèn)知能力。

張一慧認(rèn)為，電子皮膚實(shí)際上是模仿人類皮膚感知功能的一種新型傳感器，未來可裝于醫(yī)療機(jī)器人指尖進(jìn)行早期診療，還可像創(chuàng)可貼一樣貼在人的皮膚上實(shí)時監(jiān)測血氧、心率等健康數(shù)據(jù)。

傳感器作為一種關(guān)鍵的技術(shù)設(shè)備，在工業(yè)、醫(yī)療、生物科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。仿生三維電子皮膚的成功研制，不僅意味著對力學(xué)信號感知能力的顯著提升，也為傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和可能性。

(圖片來源：攝圖網(wǎng))

技術(shù)價值觀察

傳感器(transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

從產(chǎn)業(yè)鏈來看，傳感器上游主要為各種零部件等以支撐感知層;中游是以光傳輸、通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成的傳輸層;下游是應(yīng)用層，其中以物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的各項(xiàng)應(yīng)用為主。

傳感器產(chǎn)業(yè)鏈大致可分為研究與開發(fā)→設(shè)計→制造→封裝→測試→應(yīng)用等環(huán)節(jié)。目前，我國在傳感器研發(fā)、設(shè)計、代工生產(chǎn)、封裝測試、應(yīng)用已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

宏觀市場觀察

傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大體可分三個階段：

第一階段是1990年以前，傳感器企業(yè)較為少見，發(fā)展緩慢;

第二階段是1990-2000年，在國家的支持下，國內(nèi)傳感器行業(yè)格局開始發(fā)生改變，建立了諸如安徽基地、陜西基地、黑龍江基地等敏感元件與傳感器生產(chǎn)基地;

第三階段是2000年以后，我國開發(fā)新一代高、精、尖傳感器已具備條件，從十五開始，國家對傳感器的支持力度越來越高，逐步縮短與世界先進(jìn)傳感器技術(shù)國家間的差距。

傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

傳感器是一種檢測裝置，能夠?qū)⒏惺艿降男畔⑥D(zhuǎn)化成為電信號或其他信息，以達(dá)成信息的傳輸、處理和顯示等功能。傳感器被廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)制造、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

2020年市場規(guī)模接近2500億元

據(jù)《2020年賽迪顧問傳感器十大園區(qū)白皮書》，2014-2019年，我國傳感器市場規(guī)模呈不斷增長趨勢，2014年行業(yè)市場規(guī)模為982.8億元，2019年增長至2188.8億元。結(jié)合我國傳感器市場規(guī)模占全球市場比例情況，以及2020年我國傳感器市場因疫情控制情況較好而增速回升等相關(guān)因素測算得到，預(yù)計2020年我國傳感器市場規(guī)模提高至2494億元，同比增長約13.9%。

中國傳感器技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，目前傳感器關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)相關(guān)的城市集群主要集中在華北、長三角和西北地區(qū)，尤其是江蘇省成為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。這些城市群已投入大量政策、資金、環(huán)境和人才資源用于傳感器研發(fā)，成為潛在的傳感器技術(shù)發(fā)展中心。根據(jù)熱力圖的分布，長三角地區(qū)有極大的可能性成為傳感器技術(shù)的先導(dǎo)區(qū)域。重點(diǎn)關(guān)注江蘇省無錫市新吳區(qū)、安徽省合肥市蜀山區(qū)、浙江省溫州市樂清市等地的相關(guān)企業(yè)，以及這些地方對傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資環(huán)境和潛力市場。

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