柔性可穿戴壓力傳感器作為一類快速發(fā)展的器件，因其在電子皮膚（E-skin）、個(gè)性化醫(yī)療和智能機(jī)器人等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，預(yù)示著新一代人機(jī)交互（HMI）的到來。在眾多關(guān)鍵性能指標(biāo)中，靈敏度和線性度尤為重要，但如何同時(shí)提升這兩項(xiàng)指標(biāo)仍然是實(shí)現(xiàn)精確生理監(jiān)測和穩(wěn)定輸出（可穿戴HMI所需）的核心挑戰(zhàn)。迄今為止，人們已投入大量精力來研發(fā)先進(jìn)材料和微結(jié)構(gòu)，以期兼顧這兩項(xiàng)指標(biāo)。例如，Cheng等人報(bào)道了一種可編程微結(jié)構(gòu)策略，該策略與超薄離子層相結(jié)合，制備出具有超高靈敏度和兆帕級線性范圍的電容式傳感器，非常適合用于極端負(fù)載監(jiān)測。在實(shí)際可穿戴人機(jī)交互（HMI）和以人體為中心的傳感場景中，壓力輸入本質(zhì)上源于生理活動，例如皮膚接觸、肌肉收縮、關(guān)節(jié)運(yùn)動和步態(tài)，且大多處于低于 200 kPa 的實(shí)用范圍內(nèi)。因此，“生理范圍壓力”指的是典型人體生理活動期間產(chǎn)生的壓力水平，其范圍從脈搏和呼吸等細(xì)微信號的幾十帕斯卡到劇烈運(yùn)動時(shí)關(guān)節(jié)負(fù)荷和足底壓力的幾百千帕斯卡。因此，對于可靠的、定量的可穿戴界面而言，能夠同時(shí)轉(zhuǎn)換微弱生命體征和大幅度運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器至關(guān)重要。這些壓力傳感器需要在低壓范圍內(nèi)提供超高靈敏度，同時(shí)在高壓下保持穩(wěn)定、近似線性的響應(yīng)和足夠的靈敏度。

基于壓阻式、電容式、壓電式、摩擦電式、電化學(xué)式和離子梯度驅(qū)動機(jī)制的柔性可穿戴壓力傳感器已被廣泛研究，這些機(jī)制共同為自供電運(yùn)行、寬壓力范圍和在電子皮膚和人機(jī)界面中的共形集成提供了廣闊的設(shè)計(jì)空間。自供電壓電式和摩擦電式壓力傳感器無需外部電源即可將機(jī)械刺激直接轉(zhuǎn)換為電信號，從而實(shí)現(xiàn)在可穿戴和植入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的自供電運(yùn)行。由于其直接的機(jī)械-電能轉(zhuǎn)換以及能夠收集環(huán)境機(jī)械能以同時(shí)進(jìn)行發(fā)電和壓力傳感，這些器件受到了廣泛的研究。電化學(xué)和基于離子梯度的壓力傳感器為高靈敏度檢測微小壓力變化提供了一個(gè)多功能平臺，這得益于離子傳輸和界面電荷調(diào)制，這對于生物相關(guān)應(yīng)用和柔性電子產(chǎn)品尤其具有吸引力。然而，這些自供電和基于電化學(xué)/離子梯度的傳感器的實(shí)際應(yīng)用通常需要相對復(fù)雜的信號調(diào)節(jié)電路和精密的器件封裝，以解決阻抗匹配、環(huán)境敏感性和長期穩(wěn)定性等問題。在這些不同的平臺中，壓阻式壓力傳感器尤其具有吸引力，因?yàn)樗鼈兲烊坏亟Y(jié)合了高靈敏度、簡單的器件結(jié)構(gòu)、低成本和穩(wěn)健的運(yùn)行穩(wěn)定性，這對于可靠地監(jiān)測微弱的生理信號以及長期的人機(jī)界面應(yīng)用至關(guān)重要。然而，當(dāng)傳感器設(shè)計(jì)基于單個(gè)參數(shù)而不是協(xié)同優(yōu)化關(guān)鍵要素（例如電導(dǎo)率、機(jī)械模量或微觀結(jié)構(gòu)）時(shí)，在超寬壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和線性響應(yīng)仍然具有挑戰(zhàn)性。柔性壓阻式傳感器的工作原理在于調(diào)節(jié)導(dǎo)電通路，例如在受到外部壓力時(shí)調(diào)節(jié)接觸電阻或隧道電阻。特別是，合理設(shè)計(jì)電導(dǎo)率、模量和幾何形狀的垂直或平面梯度，為精確控制壓力下導(dǎo)電通路的演變提供了一條有效途徑，從而在超寬檢測范圍內(nèi)協(xié)同提高靈敏度和線性度。例如，Zhang 等人報(bào)道了一種基于紙張的壓阻式傳感器，該傳感器采用雙面導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，包含雙層纖維素納米纖維/碳納米管（CNT）敏感層，實(shí)現(xiàn)了0-3800 kPa的超寬檢測范圍和4.11 kPa?1的靈敏度，非常適合精確的健康監(jiān)測和步態(tài)分析。這種單參數(shù)電導(dǎo)率梯度確實(shí)可以拓寬線性范圍；然而，由于難以同時(shí)引入接觸構(gòu)型和/或機(jī)械模量的梯度，初始電流仍然相對較大，使得進(jìn)一步提高靈敏度變得困難。此外，通過將導(dǎo)電填料涂覆或嵌入彈性基底中，并進(jìn)一步集成微工程結(jié)構(gòu)，例如微金字塔、微柱、微圓頂陣列（MDA）或微纖毛陣列，可以在傳感層內(nèi)建立有效的模量梯度，從而協(xié)同增強(qiáng)線性和靈敏度。然而，這種基于模量梯度的設(shè)計(jì)通常依賴于在高應(yīng)變下工作的高縱橫比微結(jié)構(gòu)，因此軟區(qū)域在高壓下會迅速被完全壓縮，導(dǎo)致響應(yīng)飽和，并限制了在高壓范圍內(nèi)的性能提升。因此，僅調(diào)節(jié)電導(dǎo)率、模量或幾何形狀不足以顯著提高器件的整體性能。為了解決這些局限性，人們探索了激光圖案化和多層梯度結(jié)構(gòu)等先進(jìn)策略來提高靈敏度和線性度，但這些方法不可避免地增加了制造復(fù)雜性和成本，因?yàn)樗鼈冃枰~外的加工步驟和專用設(shè)備。與此同時(shí)，近年來，將碳納米管（CNT）摻入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，并結(jié)合微結(jié)構(gòu)的復(fù)制成型，已成為一種重要的策略，也是大規(guī)模制造柔性壓阻傳感器的可擴(kuò)展途徑，并且可以通過改變碳納米管的含量輕松調(diào)節(jié)復(fù)合材料的電導(dǎo)率。因此，在單個(gè)模板中實(shí)現(xiàn)模量、電導(dǎo)率和幾何形狀的同時(shí)調(diào)制，從而協(xié)同優(yōu)化線性和靈敏度，是實(shí)現(xiàn)低成本、可擴(kuò)展制造高性能壓力傳感器的關(guān)鍵一步。

長期以來，大自然一直是取之不盡的靈感源泉。通過利用或模仿生物系統(tǒng)中已有的結(jié)構(gòu)基序，研究人員能夠設(shè)計(jì)出集成多種功能并顯著提升柔性壓力傳感器性能的改進(jìn)方案。近年來，將受樹葉或花瓣啟發(fā)的非傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)基序與以人體皮膚為例的梯度調(diào)節(jié)原理相結(jié)合，已成為提高傳感器性能的有效策略。因此，利用自然界獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征并將其與既有的設(shè)計(jì)原理相結(jié)合，為優(yōu)化柔性壓力傳感器的性能提供了一條強(qiáng)有力的途徑。葫蘆狀結(jié)構(gòu)具有固有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，因?yàn)樗蓛蓚€(gè)尺寸不同的圓頂部分組成。目前，模仿這種幾何形狀的研究主要集中在光纖傳感領(lǐng)域，例如使用熔融拉錐等技術(shù)將圓柱形光纖重塑成葫蘆狀輪廓以提高靈敏度。在電學(xué)領(lǐng)域，特別是在可穿戴壓阻器件中，葫蘆狀結(jié)構(gòu)的潛力尚未得到充分探索。因此，人們越來越關(guān)注對葫蘆狀結(jié)構(gòu)的仿生研究，其中對幾何尺寸、機(jī)械模量和電導(dǎo)率的同步調(diào)節(jié)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)靈敏度和線性度在實(shí)際壓力范圍內(nèi)協(xié)同提升的有效途徑。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作展示了如何利用葫蘆形微圓頂陣列（GSDA）實(shí)現(xiàn)靈敏度和線性度的協(xié)同優(yōu)化，該陣列在單個(gè)單元內(nèi)集成了三個(gè)協(xié)同梯度（模量、電導(dǎo)率和幾何形狀）。

2. 該單元由一個(gè)導(dǎo)電率較低的實(shí)心上圓頂（直徑較?。┖鸵粋€(gè)導(dǎo)電率較高的多孔下圓頂（直徑較大）組成。在機(jī)械加載下，較大的模量對比度驅(qū)動上圓頂嵌入多孔層，從而快速增大實(shí)際接觸面積并縮短電隧道間隙。

3. 上微圓頂（MD）的嵌入過程會產(chǎn)生串聯(lián)到并聯(lián)的電學(xué)轉(zhuǎn)變，從而抑制早期信號飽和。優(yōu)化后的器件在高達(dá) 210 kPa 的壓力下仍保持線性響應(yīng)，靈敏度為 534.9 kPa?1。

4. 通過建立一致的強(qiáng)度映射，我們表明 GSDA 可以作為傳感單元或陣列組件，應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如觸覺監(jiān)測、密碼編碼、莫爾斯電碼、機(jī)器人控制和有效的手語識別。

圖文解析

圖1. (a) 葫蘆形結(jié)構(gòu)的示意圖，其上部為小尺寸、高模量部分，下部為大尺寸、低模量部分。掃描電子顯微鏡圖像顯示了具有不同材料特性的8% CNT/PDMS固體和10% CNT/PDMS多孔圓頂。“E”代表模量，“σ”代表電導(dǎo)率。(b) 壓力傳感器在力增加時(shí)的響應(yīng)示意圖，顯示隨著壓力的增加，更多神經(jīng)元被逐漸激活。(c) 單一微結(jié)構(gòu)和復(fù)合微結(jié)構(gòu)的比較。(d) 突出顯示GSDA的優(yōu)勢，其上部為小尺寸、高模量部分，下部為大尺寸、低模量部分。(e) 顯示傳感器在不同力（+0、+10、+50、+200 kPa）作用下從靜止?fàn)顟B(tài)到重度壓縮狀態(tài)的變形圖像。(f) 在輕度、中度和重度力作用階段發(fā)生的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換機(jī)制的示意圖。電阻（Rs和Rl）組合形成總電阻（Rtotal），該電阻隨施加到傳感器上的力而變化。(g) 利用GSDA和兩個(gè)柔性電極的傳感器裝置示意圖。

圖2. (a) 不同微結(jié)構(gòu)的示意圖比較，包括固體圓頂、多孔圓頂和GSDA。(b) 比較不同結(jié)構(gòu)的靈敏度和線性范圍的柱狀圖，突出顯示優(yōu)化后的GSDA傳感器具有最高的綜合性能（LSF = 112350）。(c) 歸一化電流變化（ΔI/I0）與壓力的關(guān)系圖，顯示在高達(dá)210 kPa的壓力范圍內(nèi)具有出色的線性度，靈敏度為534.9 kPa?1，R2 = 0.99。(d) GSDA中可調(diào)設(shè)計(jì)變量的示意圖，包括上部和下部圓頂?shù)碾妼?dǎo)率、模量和尺寸。(e) 上部圓頂電導(dǎo)率對壓力響應(yīng)的影響。(f) 不同PDMS:糖比例和圓頂尺寸比例下的壓縮體積比較。(g) 不同PDMS:糖比例下的ΔI/I0與壓力的關(guān)系圖，顯示更高的孔隙率由于增強(qiáng)的可壓縮性而導(dǎo)致壓力靈敏度提高。(h) 不同頂部/底部圓頂尺寸比例下的ΔI/I0與壓力的關(guān)系圖。 (i) 對近期研究中基于MCA的代表性壓力傳感器在0-200 kPa壓力范圍內(nèi)的靈敏度進(jìn)行比較，突出顯示優(yōu)化后的GSDA在該實(shí)際壓力范圍內(nèi)的領(lǐng)先性能。

圖3. (a) 在1至5 kPa低壓范圍內(nèi)進(jìn)行階梯式加載傳感。 (b) 在10至25 kPa中壓范圍內(nèi)進(jìn)行階梯式加載傳感。 (c) 在100至200 kPa高壓范圍內(nèi)進(jìn)行階梯式加載傳感。 (d) 在50 Pa脈沖下的代表性曲線顯示響應(yīng)時(shí)間為17 ms，弛豫時(shí)間為15 ms。 (e) 對25 μL去離子水液滴進(jìn)行傳感，對應(yīng)壓力約為7 Pa。 (f) 環(huán)境魯棒性。在20至60°C溫度、20–80%相對濕度和50 g（5 kPa）靜態(tài)載荷下，ΔI/I0的漂移極?。?1%）。 (g) 五個(gè)獨(dú)立樣品在0-200 kPa范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度重疊的ΔI/I0-壓力曲線，平均靈敏度為539.7 kPa?1，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.25%。 (h) 升壓和降壓掃描的滯后誤差為3.81%。 (i) 在220 kPa壓力下進(jìn)行9000次循環(huán)的長期疲勞測試。 (j) 短暫的氣流脈沖會在歸一化電流變化中產(chǎn)生尖銳的高信噪比峰值，表明其對微小壓力刺激的敏感性，并且每個(gè)脈沖后基線穩(wěn)定且快速恢復(fù)。 (k) 隨著握力的增加以及添加10、20和50 g的重量，觀察到ΔI/I0呈現(xiàn)分級平臺。 (l) ΔI/I0隨關(guān)節(jié)角度（30°、60°、90°）單調(diào)上升，并在釋放后恢復(fù)。 (m) 踩踏/抬起動作在寬壓力范圍內(nèi)產(chǎn)生線性階梯式ΔI/I0響應(yīng)。

圖4. 在可穿戴傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。(a) 應(yīng)用概述展示了 GSDAs 壓阻器件的典型用途，包括脈搏監(jiān)測、人機(jī)交互和運(yùn)動追蹤。(b) 脈搏監(jiān)測顯示成年女性（約 85 次/分鐘）的逐搏歸一化電流變化 (ΔI/I0)，證明了對微弱生理壓力的穩(wěn)定檢測。(c) 呼吸監(jiān)測顯示 ΔI/I0 周期約為 24 次/分鐘，基線穩(wěn)定，驗(yàn)證了對緩慢低壓信號的可靠追蹤。(d) 帕金森氏癥震顫檢測顯示 4-6 Hz 的震顫表現(xiàn)為一系列窄的 ΔI/I0 尖峰，表明對病理性運(yùn)動具有高時(shí)間保真度。(e) 鼠標(biāo)控制顯示單擊、雙擊和長按手勢在 ΔI/I0 中產(chǎn)生可區(qū)分的時(shí)間特征。(f) 持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)編碼（示意圖）顯示短按 (t0) 和長按 (t0+Δt) 作為點(diǎn)劃指令的時(shí)間域分隔符。(g) 摩爾斯電碼演示顯示使用短按/長按重構(gòu)“U”和“M”。(h) 運(yùn)動追蹤顯示站立、行走、跳躍和跑步在寬壓力范圍內(nèi)具有可重復(fù)的波形。

圖5. (a) 人機(jī)交互概述。從輕到重的按壓對應(yīng)于逐漸增大的輸出幅度。(b) 圓珠筆書寫機(jī)制示意圖。(c) 類似于圓珠筆尖，固體上層 MD 在壓力下嵌入多孔下層 MD，快速增加實(shí)際接觸面積和并聯(lián)導(dǎo)電通路數(shù)量，從而使 ΔI/I0 逐步上升。(d) 強(qiáng)度和位置的聯(lián)合編碼。分級按壓級別與電極索引相結(jié)合形成二維陣列，編碼容量隨電極數(shù)量 n 以 2n 的速度增長。(e) 密碼解鎖顯示通過信號處理流程結(jié)合輸入位置和強(qiáng)度來驗(yàn)證預(yù)設(shè)代碼“1-2-3-4”。(f) 摩爾斯電碼輸入和無線解碼。設(shè)備表面的兩個(gè)按壓級別分別觸發(fā)點(diǎn)和劃。(g) 機(jī)械手的多級強(qiáng)度控制。設(shè)備表面的四個(gè)預(yù)設(shè)按壓級別 (L1-L4) 分別觸發(fā)單指伸展。 (h) 五個(gè)GSDAs傳感器分別貼在手指關(guān)節(jié)上，當(dāng)手指從伸展?fàn)顟B(tài)彎曲到完全屈曲狀態(tài)時(shí)，每個(gè)通道的ΔI/I0值單調(diào)遞增，用于顯示字母“U”和“M”。(i) 手語字母U和M的手指通道輸出。ΔI/I0值隨手指彎曲程度單調(diào)遞增。

審核編輯 黃宇