近日，孫立寧教授、蘇州大學劉會聰教授與新加坡國立大學Chengkuo Lee教授在SmartBot期刊上發(fā)表了題為MEMS: The Sensory Nervous System for Embodied AI Robots的綜述文章，系統(tǒng)梳理了MEMS技術在具身智能機器人中應用的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)。

專家檔案

孫立寧微納器件與系統(tǒng)及微納機器人專家，俄羅斯工程院外籍院士，蘇州大學特聘教授，蘇州大學先進制造技術研究院院長、機電工程學院院長、機器人與微系統(tǒng)研究中心主任，哈爾濱工業(yè)大學先進機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室副主任，國家“十二五”863“計劃微納制造技術主題專家。

具身智能（Embodied AI）的興起標志著人工智能研究的一次根本性轉變，即從虛擬世界走向真實物理環(huán)境，旨在構建能夠在復雜、非結構化環(huán)境中實現(xiàn)感知、推理與行動的自主機器人系統(tǒng)。

然而，傳統(tǒng)傳感器受限于體積和功耗，難以滿足機器人對自身狀態(tài)與外部環(huán)境的全面感知需求。微機電系統(tǒng)（MEMS）技術憑借微型化、低功耗、高集成度和低成本等優(yōu)勢，已成為提升新一代機器人感知能力的關鍵支撐。

本文系統(tǒng)梳理了面向具身智能機器人的MEMS傳感技術最新進展。通過集成測距、慣性、觸覺、聽覺和嗅覺等多模態(tài)MEMS傳感器，機器人能夠實現(xiàn)更為豐富的環(huán)境感知與交互，為不同應用場景下的高自主性、安全性和人機協(xié)作奠定堅實基礎?？梢哉f，MEMS傳感器如同機器人的“感知神經(jīng)元”，與人工智能構成的“認知大腦”深度融合，共同推動真正具備感知與智能的機器人新時代的到來。

圖1 MEMS傳感器在具身智能機器人中的應用


圖文摘要


精準的環(huán)境感知是機器人實現(xiàn)自主導航、物體操控以及安全人機交互等核心功能的前提與基礎。其中，測距傳感器通過探測周圍物體的距離，為環(huán)境建模與理解提供關鍵數(shù)據(jù)。MEMS 技術的引入，為測距傳感器帶來了微型化、低功耗和低成本等革命性優(yōu)勢，極大促進了高性能機器人的普及與發(fā)展。

MEMS 測距傳感器通常通過檢測機械結構的微小形變與振動模態(tài)變化，或分析發(fā)射波的傳播特性來實現(xiàn)高精度距離感知。目前，以激光、超聲波和電容測距為代表的多種 MEMS 技術，已共同構成機器人多場景環(huán)境感知的重要支撐，成為推動新一代機器人智能水平提升的關鍵技術。

圖2 MEMS測距傳感器分類及應用


精準的環(huán)境感知是機器人實現(xiàn)自主導航、物體操控以及安全人機交互等核心功能的基礎。測距傳感器通過獲取周圍物體的空間位置信息，為環(huán)境建模與理解提供關鍵支持。MEMS 技術的引入為測距傳感器帶來了微型化、低功耗和低成本等革命性優(yōu)勢，極大推動了高性能機器人的發(fā)展與應用。

MEMS 測距傳感器通常依靠檢測機械結構的微小形變與振動模態(tài)變化，或分析發(fā)射波的傳播特性，從而實現(xiàn)高精度的距離感知。目前，以激光、超聲波和電容測距為代表的多種 MEMS 技術，已構成機器人在多場景下實現(xiàn)環(huán)境感知的重要支撐，成為提升新一代機器人智能水平的關鍵驅動力。

圖3 IMU在機器人中的多場景應用

在復雜的非結構化環(huán)境中，機器人需借助觸覺感知實現(xiàn)精準、安全的物理交互。MEMS觸覺傳感器正如機器人的“電子皮膚”，不僅可檢測接觸力的大小與方向，更能感知壓力分布、識別紋理、判斷滑動狀態(tài)甚至溫度變化，極大豐富了機器人的物理交互能力。


基于壓阻、電容、壓電與摩擦電等效應，MEMS技術將微機械結構對外界刺激的響應轉化為電信號，實現(xiàn)高靈敏度、高空間分辨率的觸覺感知。這類傳感器為機器人抓取操控、精細操作和人機協(xié)作等任務提供了關鍵支持。

圖4 MEMS觸覺傳感器應用于手術機器人及靈巧手感知

柔性觸覺傳感器基于柔軟且可拉伸的材料制成，能夠緊密貼合復雜曲面，為機器人提供大范圍、多模態(tài)的觸覺感知能力。其核心原理是將壓力、拉伸等機械信號轉換為電阻、電容等電學變化，模擬人體皮膚的力學感知機制。


與傳統(tǒng) MEMS 觸覺傳感器形成互補：MEMS 傳感器擅長局部高精度測量，而柔性傳感器則可構建“電子皮膚”（e-skin），實現(xiàn)分布式觸覺感知與更安全的人機交互。這類傳感器不僅能夠檢測壓力與形變，還可感知溫度、濕度等多種物理量，廣泛應用于機器人靈巧操作、可穿戴設備、健康監(jiān)測及人機交互等領域，是提升下一代機器人環(huán)境適應性與交互智能的關鍵技術。

圖5 柔性觸覺傳感器應用于機器人多變量感知



聽覺感知顯著增強了機器人與環(huán)境交互的能力，是實現(xiàn)具身智能機器人高級功能的關鍵。MEMS聲學傳感器，包括麥克風與揚聲器，以其芯片級尺寸、高保真性能和低失真特性，為機器人提供了“聽”與“說”的雙向語音能力。

MEMS麥克風可準確捕捉人聲與環(huán)境聲音，實現(xiàn)語音指令接收、聲源定位及工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測。而MEMS揚聲器則能夠輸出高聲壓、寬頻帶的音頻，為機器人提供清晰、沉浸式的語音反饋。兩者協(xié)同工作，構建了高自然度的人機語音交互基礎，從而大力推動了機器人在服務、救援、工業(yè)檢測等場景中的環(huán)境感知與人性化交互水平。

圖6 MEMS聲學傳感器


嗅覺感知為機器人提供了超越人類能力的化學環(huán)境理解手段，是實現(xiàn)新一代智能機器人的關鍵感知維度。MEMS嗅覺傳感器作為“電子鼻”的核心，能夠識別氣體種類、檢測濃度變化并實時追蹤氣味源，極大擴展了機器人在環(huán)境監(jiān)測、災害響應與工業(yè)安全等領域的應用潛力。


通過感知揮發(fā)性有機物（VOCs）甚至危險化學品，機器人可執(zhí)行化學品泄漏預警、爆炸物探測乃至疾病初步篩查等高風險任務，有效替代或輔助人類完成復雜和危險場景下的作業(yè)。

圖7 MEMS嗅覺傳感器

總結與展望



MEMS 傳感器之所以成為具身智能機器人的核心基石，源于其獨特優(yōu)勢與機器人復雜感知需求的高度契合。MEMS 工藝能夠在毫米甚至微米尺度上集成復雜機電結構，在極小空間內實現(xiàn)高精度感知，顯著推動了機器人系統(tǒng)的微型化與高性能化。無論是在機器人關節(jié)、指尖等受限空間中的嵌入式集成，還是在整個機體內部署大規(guī)模分布式傳感網(wǎng)絡，MEMS 技術都提供了傳統(tǒng)傳感器難以比擬的解決方案。

這種能力不僅保障了機器人運動自由度和外觀整體性，更為實現(xiàn)真正意義上的“具身感知”奠定了硬件基礎，即通過多維度、多模態(tài)的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，為 AI 模型提供實時、豐富且可靠的物理交互信息。

盡管 MEMS 技術極大推動了機器人感知與驅動能力的發(fā)展，其在構建高水平自主具身智能系統(tǒng)方面仍面臨制造與集成兩大核心挑戰(zhàn)。在制造層面，不同類型 MEMS 傳感器依賴差異化工藝體系，導致難以建立統(tǒng)一的標準化生產(chǎn)平臺，限制了多類傳感器的大規(guī)模、低成本生產(chǎn)，從而制約了多功能集成機器人的推廣應用。

在集成層面，機械集成問題尤為突出：如何在機器人關節(jié)、末端等狹小空間內實現(xiàn)高精度、抗應力、抗振動及熱變形的穩(wěn)定安裝，同時優(yōu)化多傳感器布局、簡化布線并抑制機器人與傳感器之間的動態(tài)耦合干擾，是提升系統(tǒng)整體性能與可靠性的關鍵難題。

圖8 面向具身智能機器人的MEMS傳感器展望

展望未來，MEMS傳感技術將推動機器人感知邁向軟硬件深度協(xié)同的革命性階段。其發(fā)展重點不再局限于單一傳感器性能的提升，而在于構建“感知-認知”一體化的智能系統(tǒng)。

在硬件層面，MEMS與存算一體技術的結合將實現(xiàn)感知方式的根本變革。

在應用層面，多模態(tài)MEMS傳感系統(tǒng)將為大型語言模型和多模態(tài)模型提供物理世界的真實、連續(xù)和多維數(shù)據(jù)基礎，彌補其與現(xiàn)實環(huán)境之間的差異?？梢哉f，具身智能的未來建立在MEMS與人工智能的深度協(xié)同之上。

MEMS提供語義化的“感知神經(jīng)元”，大型模型構成“認知大腦”。這種融合將引領機器人突破既定程序的限制，進入真正感知、理解并與人類共同適應物理世界的新時代。

全文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smb2.70004
To cite this article:Xu Zhou, Dongsheng Li, Shuhan He, et al. 2025. “ MEMS: The Sensory Nervous System for Embodied AI Robots.” SmartBot: e70004. https://doi.org/10.1002/smb2.70004.