近年來，智能機器人和人機交互領域取得了顯著進展。觸覺感知作為一項關鍵使能技術，在助力這些新興領域實現更自然的人機交互與靈巧操作方面發揮著關鍵作用。觸覺感知既迎來了前所未有的機遇，也面臨著諸多挑戰。磁觸覺傳感器作為觸覺感覺技術中的有力競爭者，具備高靈敏度、優異空間分辨率、強耐用性以及多方向力檢測能力等獨特優勢。
據麥姆斯咨詢報道，中國科學院寧波材料技術與工程研究所和?中國科學院大學?近期綜述了面向觸覺感知的磁性材料與傳感器的最新研究進展，重點闡述了磁彈性體的設計策略以及用于觸覺感知的磁傳感器發展趨勢。此外，還介紹了磁觸覺傳感器在機器人、人機交互、醫療健康等多個領域的應用情況。最后，深入探討了磁觸覺傳感器面臨的技術挑戰，并提出了未來發展方向。相關研究成果已經以“Advances in magnetic materials and sensors for tactile perception”為題發表于Review of Materials Research期刊。
圖1 磁觸覺傳感器的主要組成部分、特點及潛在應用
面向觸覺感知的磁彈性體研究進展
在磁觸覺傳感器中，磁彈性體充當換能介質，可將施加的機械力轉換為可測量的磁信號。當外力作用于這種復合材料時，會導致材料發生形變。這種形變會使嵌入的磁性顆粒發生位移并改變其取向。因此，外部磁場會被重新配置，進而引起雜散磁場的強度和取向發生變化。隨后，磁傳感器會檢測這些變化，并將其轉化為相應的電輸出（圖2）。
圖2 觸覺傳感器工作原理示意圖：左：傳感器初始狀態（無載荷）；中：傳感器在法向載荷下的變形與輸出；右：傳感器在剪切力作用下的變形與輸出。
通常，磁彈性體由兩種功能組分構成：（ⅰ）磁場源，包括永磁體、軟磁顆粒、永磁顆粒以及載流線圈；（ⅱ）彈性基體，其通常由有機硅聚合物組成。軟磁材料具有低剩磁的特征，不適合作為磁場源。因此，其在觸覺感知中的應用需通過與其它功能材料和傳感器集成，利用其動態物理效應。
基于上述功能組分，磁彈性體主要分為三種結構形式：（ⅰ）磁性膜，其為平面結構，厚度范圍從微米級到毫米級；（ⅱ）磁性纖毛，為垂直結構，可通過控制復合比例調控長徑比，實現楊氏模量的定制化與磁場強度的可調性；（ⅲ）磁性晶格，其設計用于平衡楊氏模量與磁場強度。這些結構形式展現出不同的器件特性，例如靈敏度、檢測范圍、制備復雜度等。
圖3 （a）仿魚側線網格彈性體與傳統實體彈性體在相同剪切載荷下的變形位移對比；（b）體心立方晶格磁彈性系統的制備過程。
該綜述重點闡述了磁彈性體的制備方法和設計策略。
面向觸覺感知應用的磁傳感器研究進展
在磁觸覺傳感器中，磁傳感單元將磁通量轉換為電信號，通過對電信號的重構實現對外力的精準評估，包括外力的幅值、方向及分布情況。
截至目前，觸覺感知應用領域已出現多種類型的磁傳感器，根據其核心物理機制可分為：電磁線圈、霍爾效應傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器和隧道磁阻（TMR）傳感器，以及巨磁阻抗（GMI）傳感器。這些傳感器在靈敏度、動態范圍等關鍵性能指標方面表現出顯著差異，而這些差異本質上由其獨特的磁輸運現象決定。
圖4 （a）TMR效應示意圖；（b）TMR磁觸覺傳感器實物照片。
本文通過對該領域文獻的全面梳理，對觸覺應用中各類磁傳感器的結構配置與性能指標進行了系統研究。霍爾效應傳感器和電磁線圈通過直接測量磁場實現工作，而磁阻傳感器則通過檢測自身電阻隨磁場變化的間接方式工作。這一根本差異決定了它們截然不同的輸出特性與器件性能。因此，電磁線圈、霍爾、AMR、GMR、TMR及GMI傳感器等各類磁傳感器，在靈敏度、噪聲、工作范圍和功耗等核心性能指標上均存在顯著差異。在集成性方面，霍爾傳感器與磁阻傳感器得益于其平面制造工藝，可實現高密度集成，而電磁線圈固有的三維幾何結構則成為其小型化的核心瓶頸。
圖5 （a）柔性磁傳感陣列系統由1個GMR傳感器、16個銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管和1個大電流輸出放大器薄膜晶體管組成；（b）柔性有源矩陣磁電子皮膚。
盡管磁傳感器已經發展得相對成熟，但觸覺感知應用仍提出了新的要求。例如，為了適配曲面，磁傳感單元需要具備柔性；為了獲得高空間分辨率，磁傳感陣列需要以較高的密度制備。該綜述詳細探討了面向觸覺感知的磁傳感器的發展趨勢，主要包括：提升柔韌性、集成度以及優異的多軸傳感性能等。
磁觸覺傳感器的應用
隨著觸覺傳感器性能的持續突破，其功能實現已從基礎的力學檢測拓展至多維環境感知，包括紋理識別、物體分類以及流體動力學監測。基于這些功能，研究人員已在機器人系統、人機界面和生物醫學設備等多個領域成功實現觸覺感知系統。該綜述重點介紹了磁觸覺傳感器在機器人技術和醫療保健領域的應用。
圖6 （a）各類織物的識別測試；（b）物體識別測試結果；（c）利用傳感器單個單元進行遙控穿針的演示；（d）傳感器可通過更換基底適配不同工作場景。
觸覺傳感器使機器人能夠感知力、紋理、剛度、形狀等物理特性，從而實現對物體更精準的抓取與操作。例如，可對紋理進行表征，以獲取表面粗糙度、周期性和硬度等物理量。近年來，磁觸覺傳感器在紋理識別領域的應用日益廣泛。
除了紋理感知外，物體識別還需要整合表面紋理、三維幾何形態和剛度等多維度特征。結合機器學習技術，磁觸覺傳感器已成功實現物體形狀識別。觸覺傳感器在紋理與物體識別方面的持續提升，也推動了機器人操作能力的增強。磁觸覺傳感器已被用作機器人夾持器中的觸覺反饋元件，以實現物體抓取。
圖7 （a）遠程觸覺傳感系統在靜息和運動后兩種條件下的心率和相對血壓測量結果；（b）睡眠呼吸暫停監測的測試結果；（c）關節運動的測試信號結果；（d）可穿戴傳感-驅動系統的結構示意圖。
觸覺傳感器在醫療保健領域發揮著至關重要的作用。例如，在微創和機器人輔助手術中，它能實現力反饋和觸覺感知，從而減少對組織的損傷。對于智能假肢而言，磁觸覺傳感器能夠模擬類皮膚觸感，讓使用者能夠感知握力、溫度和質地，實現更自然的控制。在健康監測和可穿戴設備中，磁觸覺傳感器能夠支持對呼吸、心跳和脈搏的實時追蹤。
挑戰與未來方向
過去十年來，磁觸覺傳感器發展迅速，呈現出高靈敏度和高柔性的發展趨勢。眾多磁傳感器已應用于觸覺傳知，能夠檢測毫牛甚至微牛級的微小力，彰顯了磁傳感器在觸覺傳感領域的巨大潛力。此外，磁彈性體的設計賦予了傳感器額外的功能，例如三維力解耦以及對壓力和剪切力的高精度感知。盡管相關研究已取得顯著進展，但磁觸覺傳感器仍處于發展初期，仍有若干關鍵挑戰亟待解決。
（1）磁彈性體是力-磁信號轉換的核心換能介質，在觸覺感知架構中發揮著關鍵功能作用。盡管磁彈性體的研發已取得可喜進展，但要賦予其兼具高力-磁通量轉換效率、多力解耦能力、更快響應時間和更低滯后性的綜合優勢，仍面臨不小挑戰。為滿足這些需求，磁彈性體的材料選擇標準、結構設計范式以及磁性能工程都需要進一步優化。
（2）柔性磁傳感單元的開發對于實現全柔性磁觸覺傳感器至關重要。然而，它們在觸覺傳感中的應用不可避免地會使其承受扭轉、彎曲和拉伸等復雜應變場。盡管已有大量相關研究報道，但在彎曲、拉伸等形變作用下，磁性材料的磁轉變溫度、磁各向異性和磁疇等性能會因應力和應變發生改變。這會進一步影響磁傳感器的整體性能，包括但不限于靈敏度、功耗和應用場景。目前，復雜應變下磁性的演變及其潛在的調控機制仍是亟待深入探索的核心問題，同時這也對器件的變形能力和機械穩定性提出了更高要求。未來的研究可聚焦于材料改進，例如可采用結構設計方法實現應變隔離或更均勻的應力分布，從而提升器件的變形能力與機械穩定性。
（3）在仿生機器人領域，觸覺傳感器是實現靈巧機械手完成精準操作的關鍵部件。它們不僅需要具備高力靈敏度，還需擁有高空間分辨率。基于陣列的設計是提升空間分辨率的有效方法，但其實際應用仍面臨諸多挑戰。因此，持續研發具有更高靈敏度和更低功耗的磁傳感單元至關重要。除了改進磁傳感器之外，電路架構的范式轉變，對于大幅降低數據傳輸量和整體功耗也至關重要。其次，在制造過程中，微小的工藝波動可能導致各個傳感單元的性能出現差異，這會破壞陣列的整體一致性，還可能降低其有效空間分辨率。
（4）人類皮膚能夠無縫整合觸覺、溫度和痛覺感知，而現有的柔性磁觸覺傳感器大多是單功能的，僅專注于力信號檢測。為了填補這一空白，一個關鍵的發展方向是研發多模態人造皮膚，例如雙模溫度與觸覺傳感器。推進卷積神經網絡、人工神經網絡等智能算法的發展至關重要。借助機器學習算法對信號進行整合分析，系統便能實現從多模態感知到多模態認知的轉變。最終，具備生理信號檢測功能的類皮膚系統將得以實現。
未來，集成超高性能、極致柔性與多模態感知能力的磁觸覺傳感器，將在機器人精準操作、仿生電子皮膚到精準醫療等前沿領域解鎖廣泛應用。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100110
