隨著柔性電子、清華啟可穿戴設(shè)備、大學(xué)的高醫(yī)療監(jiān)測(cè)和機(jī)器人技術(shù)的鯊魚快速發(fā)展，對(duì)柔性壓力傳感器的鱷魚需求不斷增加，且性能要求愈發(fā)嚴(yán)苛。皮膚在眾多壓力傳感器工作機(jī)制中，壓力電阻式壓力傳感器因其高靈敏度、傳感簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、清華啟穩(wěn)定信號(hào)和易制造而備受青睞。大學(xué)的高相關(guān)研究表明，鯊魚采用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如金字塔、鱷魚圓柱和圓錐形狀）可有效優(yōu)化傳感器性能。皮膚自然界中許多生物進(jìn)化出了高效的壓力壓感機(jī)制，為傳感器設(shè)計(jì)提供了寶貴靈感。傳感例如，清華啟荷葉、玫瑰花瓣、青蛙皮膚和蟑螂觸角等表面結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的壓感能力。然而，現(xiàn)有基于單微結(jié)構(gòu)的傳感器往往僅在特定壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，難以在寬壓力范圍內(nèi)平衡高靈敏度與強(qiáng)壓力抗性。

【方法與實(shí)驗(yàn)】

1.仿生結(jié)構(gòu)靈感來(lái)源

鯊魚皮膚的微觀脊?fàn)铟[片結(jié)構(gòu)和鱷魚皮膚的宏觀多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)分別為傳感器提供了微米級(jí)和毫米級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感。魚鯊皮膚結(jié)構(gòu)有助于在低壓下快速增加摩擦和接觸點(diǎn)，提高靈敏度。鱷魚皮膚結(jié)構(gòu)則有助于均勻分布?jí)毫Γ鰪?qiáng)穩(wěn)定性和抗過載能力。

2.傳感器設(shè)計(jì)與制備

研究團(tuán)隊(duì)提出了跨尺度互補(bǔ)復(fù)合柔性壓力傳感器組合策略，開發(fā)了三種生物啟發(fā)式傳感器架構(gòu)：鯊魚-鯊魚（S-S）、鱷魚-鱷魚（C-C）和鱷魚-鯊魚（C-S）。使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為柔性基底，石墨烯作為敏感材料，通過微壓印技術(shù)制造仿生微結(jié)構(gòu)表面。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了三種組合模式傳感器（S-S、C-C、C-S）的性能，重點(diǎn)評(píng)估了靈敏度、工作范圍、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度定義為傳感器相對(duì)電阻變化與所施壓力的比值。

【性能與機(jī)制】

1.仿生傳感器性能

S-S傳感器：利用微尺度脊?fàn)铟[片結(jié)構(gòu)，在低壓范圍（0–2.5 kPa）實(shí)現(xiàn)了32 kPa-1的 exceptional 靈敏度，適用于高精度應(yīng)用如聲學(xué)監(jiān)測(cè)。其在低壓力下表現(xiàn)出快速的相對(duì)電阻變化增加，在0–2.5 kPa的線性范圍內(nèi)靈敏度達(dá)到32 kPa-1，但在5 kPa以上電阻變化趨于飽和。

C-C傳感器：采用毫米尺度的多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)，在約100 kPa的高壓下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定變形和信號(hào)輸出，適用于步態(tài)分析等場(chǎng)景。在0–20 kPa壓力范圍內(nèi)，靈敏度為5.86 kPa-1；在20–30 kPa范圍內(nèi)，靈敏度降至0.90 kPa-1；在30–100 kPa線性范圍內(nèi)，靈敏度為0.30 kPa-1。

C-S傳感器：通過協(xié)同整合兩種生物結(jié)構(gòu)，提供了從1 Pa–80 kPa的寬工作范圍、高靈敏度（18.2 kPa-1）、出色穩(wěn)定性（20 000次循環(huán)）和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)（21/28毫秒響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間）。其在0–10 kPa范圍內(nèi)靈敏度為18.20 kPa-1，在10–40 kPa范圍內(nèi)靈敏度為1.10 kPa-1，在40–80 kPa范圍內(nèi)靈敏度為0.12 kPa-1。

2.C-S傳感器機(jī)制分析

跨尺度互補(bǔ)復(fù)合傳感器C-S的電阻變化主要源于壓力引起的上下石墨烯敏感層間接觸面積變化，進(jìn)而改變石墨烯導(dǎo)電通路數(shù)量。C-S器件在不同壓力階段的變形特性可分為三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)于鯊魚皮膚和鱷魚皮膚啟發(fā)的層級(jí)結(jié)構(gòu)在跨尺度互補(bǔ)復(fù)合壓力傳感器中的三段式線性響應(yīng)：

（1）低壓階段（0–10 kPa）：鯊魚皮膚的微脊和鱗片結(jié)構(gòu)首先發(fā)生明顯彈性變形，形成離散的微點(diǎn)接觸，顯著提高單位壓力下接觸電阻變化率，賦予傳感器超高初始靈敏度。

（2）中壓階段（10–40 kPa）：隨著壓力增加，鯊魚皮膚微結(jié)構(gòu)變形逐漸飽和，接觸點(diǎn)開始合并形成接觸面。同時(shí)，鱷魚皮膚的多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)參與變形，產(chǎn)生新接觸點(diǎn)。此階段呈現(xiàn)出點(diǎn)接觸和面接觸的協(xié)同效應(yīng)。

（3）高壓階段（40–80 kPa）：鯊魚皮膚微結(jié)構(gòu)幾乎失去變形能力，鱷魚皮膚的多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)主導(dǎo)傳感器變形，將接觸界面轉(zhuǎn)變?yōu)橐悦娼佑|為主的模式。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，層級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)能持續(xù)變形而不立即飽和，盡管靈敏度降低，但傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的抗過載能力。

【應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)】

1.S-S傳感器

憑借其在低壓范圍的卓越靈敏度，適用于極低壓下的高精度應(yīng)用，如聲音/語(yǔ)音監(jiān)測(cè)。例如，通過將S-S柔性壓力傳感器附著在揚(yáng)聲器的振膜上，可捕捉細(xì)微壓力變化并轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度聲音信號(hào)監(jiān)測(cè)和分析。還可附著在喉嚨監(jiān)測(cè)聲帶振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的精準(zhǔn)捕捉和分析。

2.C-C傳感器

在高壓環(huán)境下表現(xiàn)出色，能在高壓力下保持穩(wěn)定檢測(cè)，適用于步態(tài)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景。例如，部署在前腳區(qū)域用于系統(tǒng)性足底壓力檢測(cè)，能清晰區(qū)分不同活動(dòng)狀態(tài)下的信號(hào)特征和幅度。

3.C-S傳感器

作為可穿戴設(shè)備，能精確監(jiān)測(cè)從細(xì)微生理活動(dòng)到大幅度人體運(yùn)動(dòng)的各種活動(dòng)，顯著提升了運(yùn)動(dòng)和健康監(jiān)測(cè)的全面性。例如，附著在橈動(dòng)脈時(shí)可準(zhǔn)確檢測(cè)脈搏波形，附著在面具上可檢測(cè)正常呼氣，在手腕、肩部和肘部等關(guān)節(jié)處能精確監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)變化。在自適應(yīng)機(jī)器人抓取領(lǐng)域，C-S傳感器通過結(jié)合鯊魚皮膚啟發(fā)的微結(jié)構(gòu)的高靈敏度和鱷魚皮膚啟發(fā)的宏結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大壓力承受能力，展示了在模仿人類抓取和觸覺感知方面的巨大應(yīng)用潛力。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.壓力傳感器的設(shè)計(jì)概念。a）鱷魚皮表面顯微結(jié)構(gòu)圖像。B）鯊魚皮表面顯微結(jié)構(gòu)圖像 c）結(jié)合鱷魚皮的多層圓頂結(jié)構(gòu)和鯊魚皮的脊?fàn)铟[片結(jié)構(gòu)的復(fù)合壓力傳感器。d）基于鱷魚-鱷魚、鯊魚-鯊魚和鱷魚-鯊魚結(jié)構(gòu)的傳感器的性能比較。d）基于鱷魚-鱷魚、鯊魚-鯊魚和鱷魚-鯊魚結(jié)構(gòu)的傳感器的性能比較。

圖2.跨尺度互補(bǔ)復(fù)合柔性壓力傳感器的制造和表征。a）傳感器制造流程圖。b）鱷魚皮的橫截面SEM表征。c）真實(shí)的鱷魚皮。d）鱷魚皮表面的負(fù)模板。e）具有鱷魚皮表面結(jié)構(gòu)的柔性基底。f）鯊魚皮的橫截面SEM表征。g）真實(shí)的鯊魚皮。h）鯊魚皮表面負(fù)模板。i）具有鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)的柔性基底。

圖3.三種傳感器組合模式（S-S、C-C、C-S）的特性和性能。a）鯊魚皮和鱷魚皮的表面結(jié)構(gòu)示意圖。B）仿生結(jié)構(gòu)中靈敏度與壓力關(guān)系示意圖。c）負(fù)載條件下鯊魚脊?fàn)铟[片結(jié)構(gòu)的有限元模型。d）鱷魚多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)在載荷條件下的有限元模型。e）S-S組合的阻力相對(duì)于負(fù)載壓力的相對(duì)變化。f）C-C組合的電阻相對(duì)于負(fù)載壓力的相對(duì)變化。f）C-C組合的電阻相對(duì)于負(fù)載壓力的相對(duì)變化。h）平面-平面組合的阻力相對(duì)于載荷壓力的相對(duì)變化。i）三種組合模式傳感器的性能比較。j）三種組合模式傳感器與先前報(bào)道的傳感器的靈敏度和壓力檢測(cè)范圍的比較。S-S：鯊魚鯊魚，C-C：鱷魚鱷魚，C-S：鱷魚鯊魚。

圖4.跨尺度互補(bǔ)復(fù)合柔性壓力傳感器的性能。a）C-S組合線性變化的三個(gè)階段。b）-d）三級(jí)線性響應(yīng)的器件圖和有限元模擬。e）小尺度、鱗片狀結(jié)構(gòu)層與大尺度穹隆結(jié)構(gòu)層相互作用過程中的轉(zhuǎn)化過程。f）超過20000個(gè)加載-卸載壓力循環(huán)的穩(wěn)定性測(cè)試。g）微壓測(cè)試。h）響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間測(cè)試。i）跨尺度互補(bǔ)復(fù)合柔性壓力傳感器與其他傳感器的綜合性能比較。

圖5.跨尺度互補(bǔ)復(fù)合柔性壓力傳感器組合策略和聲學(xué)測(cè)試示意圖。a）基于跨尺度互補(bǔ)復(fù)合策略的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖。b）基于跨尺度互補(bǔ)復(fù)合策略的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖。c）高壓條件下三種配置方式的性能對(duì)比分析。d）聲音測(cè)試示意圖。e）第一音樂片段測(cè)試期間的電阻變化響應(yīng)。f）第二音樂片段測(cè)試期間的電阻變化響應(yīng)。g）對(duì)不同的“1-9”數(shù)字詞發(fā)音的抗性反應(yīng)。h）使用CNN-ConvNeXt網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不同音調(diào)的說(shuō)話測(cè)試和信號(hào)評(píng)估。

圖6.可穿戴和機(jī)器人自適應(yīng)抓取應(yīng)用。a）腕部脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)。B）跨尺度互補(bǔ)復(fù)合柔性傳感器的可穿戴應(yīng)用示意圖。c）吹氣信號(hào)監(jiān)測(cè)。d）手腕運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。e）肩部運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。f）肘部運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。g）機(jī)器人自適應(yīng)抓取應(yīng)用的系統(tǒng)連接圖。h）抓取目標(biāo)物體和操作程序。i）機(jī)器人抓取氣球和標(biāo)準(zhǔn)砝碼（100和200 g）。j）足底壓力檢測(cè)的示意圖。k-m）在步行、跑步和跳躍活動(dòng)期間由腳部安裝的傳感器記錄的實(shí)時(shí)壓力響應(yīng)信號(hào)。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202510130