综述：用于触觉感知的磁性材料与传感器进展

本综述系统梳理了磁性触觉传感器领域的最新进展，重点介绍了磁弹性体（Magneto-elastomer）的设计策略和磁性传感器（如Hall、AMR、GMR、TMR、GMI）的发展趋势。文章详细阐述了其在机器人灵巧操作、人机交互界面和医疗健康（如生理信号监测、智能假肢）等领域的创新应用，并深入探讨了当前面临的技术挑战（如高转换效率、多力解耦、柔性集成）及未来发展方向，为高性能电子皮肤和精密医疗应用提供了重要技术路径。

　　

引言

近年来，智能机器人和人机交互领域的显著进步对触觉传感技术提出了更高要求。作为实现更自然交互和灵巧操作的关键使能技术，触觉传感既带来了前所未有的机遇，也面临着巨大挑战。在众多触觉传感技术中，磁性触觉传感器因其高灵敏度、优异的空间分辨率、强大的耐久性和多向力检测能力等独特优势而成为强有力的竞争者。人体皮肤中约包含45,000个触觉感受器，通过模仿其工作原理和结构，仿生触觉传感器已发展出检测触摸多个维度的能力。

磁弹性体在触觉感知中的进展

在磁性触觉传感器中，磁弹性体作为转换介质，将施加的机械力转化为可测量的磁信号。典型的磁弹性体由磁性场源（如永磁体、软磁颗粒、永磁颗粒）和弹性基质（如硅酮聚合物）组成。其架构主要分为三种类型：磁性膜、磁性纤毛和磁性晶格。

磁弹性体的制备方法

早期研究方法通常将块状永磁体嵌入弹性聚合物基质中。然而，这种嵌入式设计面临刚性永磁体与柔顺基底之间的模量不匹配问题，导致应力传递效率低下。当代研究多采用非嵌入式磁弹性复合材料，通过将永磁颗粒与弹性聚合物按预定比例混合，浇铸到定制模具中固化成型。对于复杂构型，如空腔嵌入式结构和磁性晶格，则需要采用直接墨水书写、桶式光聚合等增材制造技术。例如，通过引入气相二氧化硅作为物理改性剂，可以调节复合墨水中的磁性颗粒空间分布，减少团聚，提高均匀性。

磁弹性体的设计策略

理想情况下，磁弹性体需要具备机械柔性、高力-磁通转换效率和多力解耦能力。提高转换效率的策略包括设计低杨氏模量的磁弹性体（如仿生纤毛结构、空气间隙结构）以及通过控制永磁矩的空间取向来架构磁弹性构型（如基于Halbach阵列原理的优化磁化方案）。对于多维力解耦，研究人员通常采用基于Halbach阵列原理的优化磁化方案来设计先进的磁弹性系统，例如正弦磁化磁膜和折叠磁化技术，能够实现三维力的自解耦，显著简化了传感器的信号处理校准过程。

用于触觉应用的磁性传感器进展

磁性传感单元将磁通量转换为电信号，进而重建以实现对外部力的精确评估。

用于触觉感知的磁性传感器类型

基于不同的物理机制，磁性传感器主要可分为电磁线圈、霍尔传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器、隧道磁阻传感器和巨磁阻抗传感器。这些传感器在灵敏度、动态范围等方面表现出显著差异。霍尔传感器和磁阻传感器得益于其平面制造工艺，可实现高密度集成，而电磁线圈固有的三维几何形状则限制了其小型化。

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  电磁线圈：基于电磁感应现象，具有结构简单和自供电特性，但动态响应相对较慢，难以检测高频振动。
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  霍尔传感器：基于霍尔效应，制造技术成熟，已从实验研究转向广泛的商业应用，是触觉传感技术中使用的主要磁性传感器。
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  AMR传感器：基于各向异性磁阻效应，具有尺寸小、工艺简单、成本低、可靠性高和对恶劣环境条件耐受性极好等优点。
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  GMR传感器：基于巨磁阻效应，其磁阻比高于AMR传感器，因此具有更高的灵敏度和更大的信号输出。
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  TMR传感器：基于隧道磁阻效应，其电阻变化比GMR传感器高一个数量级，具有增强的灵敏度、降低的功耗和改善的温度稳定性。
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  GMI传感器：基于巨磁阻抗效应，表现出极高的灵敏度，可实现高灵敏度的触觉感知，但通常在相对较低的磁场下饱和，这可能限制力检测范围。

触觉感知磁性传感器的发展趋势

新的应用需求对磁性传感器提出了柔性、高密度集成和优异的多轴传感性能等要求。

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  柔性的提高：目前主要的磁性传感元件构建在刚性基底上。为了开发柔性触觉传感器，研究努力已转向在柔性基底上实现这些传感器。例如，通过将GMR多层膜直接沉积在超薄PET基底上，或利用模量梯度结构和液体金属集成，可以显著增强传感器的拉伸能力和稳定性。
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  集成度的提升：触觉传感器需要高密度以实现对形状、纹理等的准确识别。通过将磁性传感器与有源矩阵和传统3D折纸技术相结合等系统级技术集成，可以开发出高密度、低功耗的柔性磁传感器系统。
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  优异的多轴传感性能：早期研究需要三个单轴敏感磁阻传感器的布置来实现三轴磁场传感。近年来，通过结合牺牲层技术、模量梯度设计和3D折纸技术，可以在单个器件或紧凑结构中实现3D磁场检测能力。新兴的自旋轨道转矩和反常霍尔效应等效应为在单个传感器器件内实现3D磁场检测提供了理论基础和技术可行性。

磁性触觉传感器的应用

随着性能的不断突破，磁性触觉传感器的功能实现已从基本的机械量检测扩展到多维环境感知。

磁性触觉传感器在机器人技术中的应用

触觉传感器使机器人能够感知力、纹理、刚度、形状等物理属性，从而实现更精确的抓取和操作。磁性触觉传感器已越来越多地应用于纹理识别和物体识别。其非直接物理接触的潜力使得系统能够抵抗外部干扰，有利于在恶劣环境中应用。其三维力检测能力有助于提高纹理识别的准确性。结合机器学习算法，磁性触觉传感器已成功实现物体形状识别和自适应抓取，使抓手能够适应抓取过程中的外部干扰，甚至实现远程精密操作。

磁性触觉传感器在医疗健康中的应用

在医疗保健领域，触觉传感器发挥着非常重要的作用。在微创和机器人辅助手术中，它能够实现力反馈和触觉感知以减少组织损伤。对于智能假肢，磁性触觉传感器模拟皮肤般的触觉，允许用户感知抓握力、温度和纹理，实现更自然的控制。在健康监测和可穿戴设备中，它支持对呼吸、心跳和脉搏的实时跟踪。例如，远程磁性触觉系统可以检测动脉脉搏波形，仿生纤毛触觉传感器可用于睡眠呼吸监测，磁性触觉传感器还可以实时监测关节运动、吞咽动作和颈椎屈曲角度等多种生理信号。在医疗康复应用中，磁性触觉传感技术通常与机器学习相结合，用于信号转换，例如将肌肉运动转换为语音信号，为语言障碍患者提供沟通解决方案。

挑战与未来方向

尽管取得了显著的研究进展，磁性触觉传感器仍处于发展的初级阶段，存在几个关键挑战需要解决：

1. 1.
   赋予磁弹性体高力-磁通转换效率、多力解耦能力、改善的响应时间和减小滞后等综合优点仍然颇具挑战性。材料选择标准、结构设计范式和磁性特性工程需要逐步完善，磁场辅助增材制造成为不可或缺的制造方法。
2. 2.
   柔性磁性传感单元在触觉传感中的应用不可避免地使其暴露于复杂的应变场中。在弯曲和拉伸等变形下，应力应变会改变磁性材料的特性，进而影响磁性传感器的整体性能。目前，复杂应变下磁特性的演变及其控制机制仍是需要迫切探索的核心问题。
3. 3.
   在仿人机器人中，触觉传感器是实现灵巧机械手执行精密操作的关键部件。基于阵列的设计是提高空间分辨率的有效途径，但其实际应用仍面临数据处理负载大、信号读出速度慢、功耗高以及制造过程中个体性能差异等挑战。
4. 4.
   当代柔性磁性触觉传感器大多是单功能的，主要集中在力信号检测上。一个关键的发展轨迹是创建多模态人工皮肤，并结合先进的智能算法，实现从多模态传感向多模态感知的转变。

未来，集成超高性能、极致柔顺性和多模态传感能力的磁性触觉传感器有望在机器人精密操作、仿生电子皮肤和精准医疗等前沿领域解锁广阔的应用前景。