研究背景
柔性应变传感器在健康监测、可穿戴电子设备及智能机器人感知等领域具有重要意义。然而，当前研究多集中在提高灵敏度或工作范围上，却往往忽视了线性度，导致传感器表现出强烈的非线性特征。因此，当前兼顾多种优越传感性能仍是柔性应变传感器发展的重大挑战。
文章概述
受蝴蝶翅膀结构的启发，研究人员提出了一种具有双层导电层和褶皱/孔洞结构的应变传感器。该传感器在120%的全工作应变范围内表现出高于0.98的高线性度，在0%–30%的应变范围内线性度更是高达0.999。此外，传感器还具备8.28的灵敏度、在40,000次全量程应变下的高稳定性以及大于167.4°的水接触角。同时，它能够识别低至0.075%的应变，并对最高40Hz的频率做出响应。研究表明，该传感器能够使柔性夹持器感知和监测水下航行器的运动，显示出其在人机交互、海洋环境保护及生物研究等多样化应用中的巨大潜力。
该项研究以《Bioinspired Stretchable Strain Sensor with High Linearity and Superhydrophobicity for Underwater Applications》为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202413552
图文导读
首先，研究人员受到蝴蝶翅膀结构的启发，发现蝴蝶翅膀由脊、孔和基板三部分组成，这种结构能有效防止水滴渗透，实现防水功能。随后，他们通过双层导电层和喷涂工艺，在PDMS软基板上成功制造了一种兼具高性能压缩性和超疏水功能的柔性应变传感器。其次，该传感器具有三层结构，包括底部的柔性PDMS基板、中间的带有不规则微孔结构的导电涂层和顶部的带有褶皱结构的导电涂层。
图1：受蝴蝶翅膀启发的传感器设计、制造及工作机制示意图；(a) 蝴蝶翅膀（Papilio helenus）表面水滴的光学图像，示意图展示了翅膀表面和内部几何结构；(b) 生物启发应变传感器的双层导电层结构示意图；(c) 生物启发应变传感器的制造过程；(d) 传感器工作机制示意图；(e) 具有超线性和超疏水性的生物启发应变传感器的开发；(f) 光学图像展示了生物启发应变传感器优异的鲁棒性和超疏水性。
随后，研究人员展示了所制备的传感器在120%的全工作应变范围内具有高于0.98的高线性度，在0%–30%的应变范围内线性度更是高达0.999。此外，传感器还表现出8.28的灵敏度，在40,000次全量程应变下具有高稳定性，以及大于167.4°的水接触角。通过对比不同预应变程度对传感性能的影响，发现50%预应变下的样品表现出最佳的线性度、最大的工作范围和良好的灵敏度。
图2：应变传感器的应变感应性能；(a) 电阻随应变变化（应变范围分别为30%、60%和90%）；(b) 电阻随最大应变范围120%的变化；(c) 应变传感器在承受10%应变时的响应/恢复时间；(d) 应变传感器在递增应变步长为0.075%下的电阻变化；(e) 应变传感器识别不同波形应变的能力；(f) 传感器对不同频率（0.05和0.01 Hz）应变刺激的响应；(g) 传感器输出电信号的快速傅里叶变换结果，插图为传感器在40 Hz频率下的输出信号；(h) 传感器在10.2、10.3和10.4 Hz应变刺激下的输出信号快速傅里叶变换结果；(i) 传感器在120%应变下经过40,000次循环的工作稳定性，插图为第10-20次和第39,980-39,990次循环期间传感器相对电阻变化的放大视图；(j) 我们的应变传感器与其他报道的应变传感器在线性和分辨率方面的比较。
此外，研究人员还测量了传感器表面的形貌，发现褶皱高度为50–100 μm，每1毫米长度范围内有三个褶皱。随后，他们测试了传感器在不同循环应变下的水接触角变化，发现经过40,000次加载/卸载循环后，水接触角仍保持在169.0°，远大于超疏水表面的定义角度（150°）。此外，还研究了不同预拉伸程度和导电油墨比例对超疏水特性的影响。
图3：生物启发应变传感器的超疏水性能表征；(a) 传感器的截面形貌；(b) 传感器表面在不同循环次数后的水接触角（WCA）；(c) 水滴站立在传感器表面的光学图像；(d) 传感器表面在不同施加应变下的水接触角；(e) 基于砂纸的磨损测试示意图；(f) 在50 g加载重量下，WCA随磨损循环次数增加的变化；(g) 在100 g加载重量下，WCA随磨损循环次数增加的变化；(h) 传感器表面对不同液体滴落（包括水、可乐和茶）的接触角；(i) 传感器在空气和水下12小时内的电阻变化；(j) 传感器从空气中浸入水中时的电阻变化。
之后，研究人员将应变传感器集成在柔性双指末端执行器的外表面上，使其能够测量夹具表面在抓取过程中的自适应变形程度，从而确定被抓取物体的体积和硬度。实验结果显示，传感器能够基于电信号的变化区分不同直径的球体，且相对电阻变化与球体体积之间呈现出良好的线性关系。此外，传感器还能识别和分类不同体积的水果，并结合机器学习技术实现物体大小和硬度的同时检测与分类。
图4：集成应变传感器的柔性夹具用于检测物体的大小和硬度；(a) 集成到软夹具中的传感器以区分不同大小的球体；(b) 传感器抓取不同大小球体时的输出电阻响应；(c) 传感器抓取不同大小球体时输出电阻信号的线性拟合；(d) 五种不同体积大小的水果图像：李子、油桃、橘子、苹果和梨；(e) 传感器抓取不同水果时的电响应；(f) 传感器多次抓取不同水果时输出电阻变化的峰值分布；(g) 八种不同大小和硬度的球体图像：聚氨酯（PU）、聚苯乙烯泡沫（EPS）、硅胶和玻璃；(h) 传感器抓取直径为60 mm、不同硬度的球体时相对电阻的变化；(i) 传感器抓取八种不同大小和硬度的球体时输出电阻变化峰值的分布；(j) 传感器抓取八种不同大小和硬度的球体时电信号输出响应时间的分布；(k) 基于传感器抓取八种不同大小和硬度的球体训练数据的t-SNE可视化结果；(l) 基于柔性应变传感器输出的混淆矩阵。
最后，由于传感器具有优异的超疏水性能，研究人员将其应用于水下环境中，开发了一种集成有两个传感器的水下机器鱼，用于监测其在水下的移动姿态。实验结果表明，传感器能够准确输出与机器鱼运动状态相对应的电信号，并通过机器学习算法实现高准确度的运动姿态识别。此外，传感器还能稳定监测水下物体的撞击和用于水下触摸式摩尔斯电码通信。
图5：应变传感器在水下应用，用于监测车辆和潜水员的运动；(a) 用于水下应用的超疏水应变传感器示意图；(b) 安装在机器鱼两侧的两个传感器示意图，形成两个通道以反馈机器鱼的运动，左侧传感器命名为通道1，右侧传感器命名为通道2；(c) 机器鱼快速和正常前进模式下两个通道的输出信号；(d) 机器鱼向左移动时两个通道的输出信号；(e) 机器鱼向右移动时两个通道的输出信号；(f) 不同运动状态下两个通道信号的频率和幅度统计结果；(g) 传感器识别不同运动的机器学习训练流程图；(h) 4种不同运动状态分类的混淆矩阵；(i) 摩尔斯电码“SOS”的生成演示；(j) 摩尔斯电码“DOWN”的生成演示；(k) 摩尔斯电码“UP”的生成演示。
总结
在这项研究中，研究人员开发了一种具有超疏水性的仿生应变传感器。他们构建了一种受生物启发的双层导电层，并通过逐层喷涂方法制造了一种具有高传感性能和超疏水性的应变传感器。该传感器在全量程（120%）范围内表现出超线性度（>0.98），具有出色的循环稳定性（40,000次循环），以及低至0.075%的应变检测限和高应变分辨率。此外，传感器的水接触角大于167.4°。这些卓越的传感能力使得传感器能够在空气和水下环境中检测人体活动信号和传输通信信号，还能在水下环境中检测和识别机器鱼的各种运动状态。更重要的是，该传感器能够使柔性机器人不仅感知、识别和分类不同大小和材料的物体，还能区分和识别同时改变大小和硬度等物理量的物体。展望未来，这种生物启发的应变传感器在水下航行器操作和柔性机器人传感领域展现出巨大的潜力。
编辑：猫学长 审核：listen
