科学网—中北大学丑修建、何剑、侯晓娟团队综述：柔性电磁感应型触觉传感器研究进展与展望
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2026-7-15 11:14
| 系统分类: 科研笔记
研究背景: 柔性触觉传感器是电子皮肤、智能机器人、可穿戴医疗和人机交互系统中的关键感知单元，其发展目标正由单一压力检测逐步拓展至复杂形变、动态接触和多场景触觉信息的稳定识别。压阻、电容和摩擦电等柔性触觉器件已取得重要进展，但在大变形、高湿、高温或低功耗应用条件下，仍受到信号漂移、信噪比不足、外加偏置电压需求以及系统能耗较高等因素制约。
电磁感应型柔性触觉传感器通过外力诱导磁体与线圈之间发生相对位移、姿态变化或间隙变化，使线圈磁通量改变并输出感应电压或电流信号。该类传感器兼具自供能潜力、清晰的幅值与相位信息、较强的结构鲁棒性和良好的复杂形变适应能力，在柔性可穿戴、智能机器人和硬件加密等方向具有独特优势。
目前，相关研究主要聚焦于单一器件结构创新或特定场景应用，对磁体、线圈、弹性结构、后端电路/算法及系统应用之间的耦合关系仍缺乏系统化归纳。面向工程化应用，（flexible tactile sensors based on electromagnetic induction, FTS-EMI）FTS-EMI 仍需在力-磁-电耦合效率提升、柔性磁膜与微线圈协同设计、器件稳定性增强以及统一评价标准建立等方面突破。
亮点 Highlights:
1. 系统阐明了 FTS-EMI 的力-磁-电耦合理论，涵盖电磁感应机理、柔性磁体空间磁场分布、线圈性能以及等效物理模型。
2. 建立了“制备工艺-结构设计-后端处理”研究框架，综述了线圈与柔性磁体制备、磁微柱/仿生/薄膜结构设计以及信号处理与电路集成策略。
3. 面向医疗健康监测、智能机器人和人机交互等应用场景，总结了FTS-EMI 的系统集成路径，并提出材料创新、多模态机制、标准化评价和真实工况验证等发展方向。
文章解读
柔性电磁感应触觉传感的优势在于无需外加偏置电压即可获得与触觉刺激相关的感应信号，适用于低功耗和复杂形变环境。综述围绕“工作机理-制备工艺-结构设计-信号处理-应用场景”构建框架，明确了不同器件方案之间的内在关联。
图1. FTS-EMI 的整体综述框架。图片来源：原文 Fig. 1。
图 1 总结了 FTS-EMI 研究思路：器件设计与制备、结构与信号处理、典型场景应用。其中，器件设计与制备包括柔性磁体和线圈加工制备；结构与信号处理涵盖传感单元结构、后端电路和算法；典型场景应用面向触觉功能再现、健康监测、多维力方向解耦和智能机器人等场景，为面向目标场景的器件设计提供依据。
图2. FTS-EMI 的机械-磁-电耦合机理分析。图片来源：原文 Fig. 2。
在工作机理方面，FTS-EMI 信号的产生本质上源于外力作用下磁体与线圈之间的相对运动。磁体决定空间磁场强度和磁场梯度，线圈决定磁通捕获能力和内部阻抗，弹性结构及等效质量-弹簧-阻尼模型影响动态响应范围。因此，高性能 FTS-EMI 需要在磁场梯度、线圈阻抗、结构刚度、阻尼特性和应用带宽之间进行协同优化，而非单纯依赖磁体增强或线圈匝数增加。
在制备工艺方面，综述分别总结了线圈与柔性磁体的典型制造路线。线圈制备包括 MEMS 工艺、FPCB 工艺、丝网印刷和缝纫/刺绣等方案；MEMS 与 FPCB 适合小型化、高密度和阵列化设计，印刷与纺织工艺适合大面积、柔性和可穿戴应用。柔性磁体制备主要围绕 NdFeB 等高磁能积材料与弹性基体的复合展开，涉及模具辅助成型、磁场辅助排列和增材制造等方法。不同工艺路线在输出强度、加工精度、成本和系统集成难度之间存在差异，需要结合应用目标进行综合权衡。
图3.磁微柱结构及其信号特征。图片来源：原文 Fig. 8。
在结构设计方面，磁微柱、仿生结构和薄膜结构是 FTS-EMI 的代表性器件形式。其中，磁微柱适合将微小接触、滑动或方向性力转化为具有可区分特征的电磁信号。通过调控磁极分布、磁柱间距、线圈位置和弹性支撑结构，输出波形可在极性、幅值或频率特征上形成差异，从而实现触觉方向识别、多维力解耦和表面信息识别等。因此，FTS-EMI 结构创新围绕可编码磁场扰动和可解码电信号特征展开。
在后端处理方面，信号波形差异、时频域特征提取、机器学习算法和电路集成是提升器件可用性的关键环节。随着传感器从单点器件向多通道阵列发展，输出信号由单一幅值信息扩展为高维时序信息。后端算法与电路系统已成为多维力识别、材料识别、手势识别和机器人控制的重要组成部分。
图4. FTS-EMI 在智能机器人和人机交互中的应用。图片来源：原文 Fig. 17。
在应用层面，FTS-EMI 在指尖触觉感知、多维力方向解耦、医疗健康监测、智能机器人等方向展现出应用潜力。面向机器人抓取和软体执行器，FTS-EMI 可用于感知接触、姿态变化和抓取过程；面向医疗健康监测，其自供能和柔性特征有助于构建更低功耗、更贴合人体的传感器件；面向人机交互，感应信号与算法识别结合，实现方向或触觉模式的智能解码。总体来看，FTS-EMI 由单一触觉单元向“柔性传感-信号处理-智能系统”一体化方向发展。
读后感:
综述构建了柔性电磁感应触觉传感器的系统化分析框架，电磁感应机理、磁体/线圈设计、结构编码和系统应用之间形成逻辑闭环，为后续器件设计提供由应用需求反推结构与材料选择的参考。未来该领域的关键突破在于新型结构的提出，以及面向真实工况建立统一评价体系，并系统平衡灵敏度、线性度、动态响应、耐久性和环境适应性等指标。多模态融合感知、可编程磁性复合材料以及低功耗集成电路有望成为 FTS-EMI 进一步发展的重要方向。
作者简介:
张欣，中北大学硕士研究生，主要围绕柔性电磁感应触觉传感、力-磁-电耦合传感机理、MEMS 堆叠微纳线圈及柔性电子器件开展研究。
侯晓娟，中北大学教授，博士生导师，主要从事微能源与柔性传感技术研究。
何剑，中北大学教授，博士生导师，国家重大人才工程青年学者，主要研究方向为电子测试技术、微能源与柔性电子。
丑修建，中北大学教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，主要研究方向为智能微纳器件与系统。
基金支持:
本研究得到国家自然科学基金、山西省基础研究计划以及中国博士后科学基金的支持。
【文献链接】
Zhang X., Hou X., Quan S., Li F., Zhao H., Qian S., Geng W., He J., Chou X. Flexible electromagnetic induction-type tactile sensors: Progress and prospects. Wearable Electronics, 2026, 3: 103-134.
DOI: 10.1016/j.wees.2026.03.003.
期刊介绍:
Wearable Electronics （WE）是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。
期刊由电子器件、有机无机材料、集成技术等学科领域方向的高水平学术带头人组成国际化一流编委团队,海外编委专家约50%。编委队伍的专家均在相关领域深耕多年，在顶级学术期刊如Science、Nature、Nature系列大子刊，Advanced Materials等上发表论文多篇，在相关学术领域有广泛的影响力和号召力，编委成员H-index均值超过60。
期刊自2024年5月18日创刊以来，不到一年即被Ei Compendex、INSPEC、CAS（美国化学文摘）、EBSCOhost等多个数据库收录。在SD平台的平均单篇阅读量近3000次。
期刊近50%的文章被EurekAlert、 Newswise、 AlphaGalileo等新闻平台报道，受到广泛关注，多篇文章在Twitter、领英等社交媒体的关注度超万次，近40%发表的文章Almetric指数超过40。
我们诚挚地邀请您将研究成果发表在Wearable Electronics （WE）上。
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