如何让机器人拥有媲美人类指尖的触觉？一项发表于《自然·材料》的新研究为此提供了利器。

来自中国科学技术大学和英国剑桥大学的研究人员打造出一款只有指尖大小的三维力传感器阵列，能像人类皮肤一样感知压力的大小和方向，灵敏度和空间分辨率比目前最先进的传感器高出一个数量级。这一突破性成果在近日以“Multiscale-structured miniaturised 3D force sensors”为题，发表于材料科学领域顶刊 Nature Materials。

（https://doi.org/10.1038/s41563-026-02508-7）

论文第一作者兼共同通讯作者、中国科学技术大学贠国霖特任教授告诉 DeepTech：“我们目前重点推进传感器在人形机器人的灵巧手上的应用。通过和中国科大人形机器人研究院张世武副院长开展合作，同时探索与相关企业的合作，接下来计划把传感器集成到真实机器人的指尖上。”

他同时指出，真要实现技术落地还得解决一系列工程挑战。“目前实验室的传感器耐久性测试约为三万次循环，而满足工业应用通常要求十万至一百万次起步，稳定性还得大幅提升。另外还有布线问题，实验室用的光刻布线方法成功率不高，尤其是在大规模制造时更难，因此需要与工程技术成熟的产业方合作解决。”

说回这款传感器，它的核心是一种叫做 APE 的混合材料，全称是各向异性多孔弹性体，里面装着三样东西：带有尖刺的镍颗粒、石墨烯纳米片以及液态金属液滴。

镍颗粒在磁场作用下排列成为一条条链子，石墨烯像桥一样把这些链条连接起来，液态金属则充当可以变形的节点。整个材料被打造成微米级的小孔结构，最后被做成由边长 200 微米的小金字塔组成的阵列，每个金字塔就是一个独立的传感单元。

人类手指可以感知压力、震动、剪切力和拉伸应变，依靠的是皮下四种不同的机械感受器。这套系统花费了数百万年进化而来，至今仍然是触觉感知的黄金标准。而本次研究人员造出来的这个传感器，在 200 微米见方的尺寸里，实现了对于三维力的大小和方向的同时测量，精度达到两度以内，灵敏度最高达到 120/kPa，它的触发力仅 0.9 微牛顿，也就是连一粒沙子的重量都可以检测到。

（https://doi.org/10.1038/s41563-026-02508-7）

背后的原理并不复杂，金字塔型的结构在受力的时候，底部的四个电极会输出不同的电压信号。垂直下压的时候，四个电极的电压变化是一样的；斜着推的时候，力指向的一侧电极电压更大。通过计算四个电极的电压差值，就能反推出来力的方向、角度和大小。研究人员使用有限元模拟验证了这个模型，实际测试中力测量偏差小于 5.3%，角度偏差小于两度。

这个传感器还能检测滑动，也能估计表面粗糙度。当物体开始从传感器表面滑脱的时候，剪切力会突然下降，导致对应电极的电压瞬间跳变。研究人员使用 120 目砂纸测试，电压跳变幅度达到 10.7%。这个信号可以直接用来控制机械手，在物体滑脱前瞬间加大夹持力。此外传感器还能像人类手指一样通过抚摸时的振动估测物体的粗糙度，用不同粗糙度的材料测试，从光滑玻璃到沟槽深度为 126 微米的粗糙表面，电压波动幅度从 0.95% 线性增加到 6.5%。

（https://doi.org/10.1038/s41563-026-02508-7）

研究人员做了一个演示实验：把四个 4 毫米大小的传感器单元集成到机械手上，让它去抓一个大小质量未知的纸筒。结果显示，传感器在接触纸筒的瞬间检测到 11 毫牛的压力，这个力度小到纸筒几乎没有变形。机械手根据这个信号调整姿态，成功把纸筒提了起来，还测出了它的重量是 0.74 克，误差只有 3%。同样的情况换成商用传感器，检测触发极限是 180 毫牛，一碰就把纸筒捏扁了。

另一个演示更精彩，研究人员让机械手去抓一个重量和大小未知的铁块，并转移到高度未知的平台上。传感器在加持过程中实时监测传感器四个电极的电压。当钢块开始下滑的时候，剪切力突然掉了 5%，控制系统瞬间响应，加大夹持力把钢块稳住。整个过程里，机械手还测出了钢块和传感器之间的摩擦角大约是 32 度，这个数据可以用来反推接触面的摩擦系数。放下钢块的时候，传感器通过剪切力归零判断出已经接触地面，从而会自动松手。

（https://doi.org/10.1038/s41563-026-02508-7）

为了展示微型化的极限，研究人员还做了边长 200 微米的微传感器阵列，每个单元比圆珠笔尖还小。他们把金球和铟球依次放在阵列上，传感器能够根据受力大小和方向准确测出不同球体的重量和直径，进而推算出来密度，区分出两种不同的金属材料。这个尺寸的传感器可以装进显微操作器或者微型机器人里，在显微镜下操作细胞或者微电子元件。

这种材料的制备过程也很有意思。所有原料先在常温下低速搅拌混合，然后压进三维打印的模具里，放在 500 毫特斯拉的磁场中 80 度固化 12 小时。最后在 140 度下加热 3 小时，把造孔剂蒸发掉，留下互相连通的多孔结构。整个流程和工业上的高分子材料生产没有什么两样，意味着可以实现大规模的制造。

图 | 贠国霖（受访者）

需要说明的是，该传感器当前只能感知力信号，目前研究人员正在开展一个新项目，计划将温度、湿度的传感功能也集成进触觉阵列，再结合机器学习，让传感器能识别材料的刚度、种类，甚至复杂的纹理信息。

参考资料：

相关论文 https://doi.org/10.1038/s41563-026-02508-7

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