武汉大学薛龙建教授团队 AFM：基于仿生策略的高性能可穿戴压力传感器

学术 2024-11-03 08:03 江苏

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柔性压力传感器近些年来发展迅速，在医疗监测、人机交互和信息通信等领域具有广泛且重要的应用前景。对于压力传感器而言，高灵敏度可以精确识别微小的压力变化，而宽检测范围可以确保传感器在很大的压力范围内正常工作。为了满足这些需求，引入微结构（如圆顶、金字塔和微柱）已被广泛证明是一种有效策略。这些微结构的尖端易于变形，可实现高灵敏度，但尖端变形所产生的应力会随着负载的增加而不断累积，阻碍了微结构其余部分的变形，降低高负载下的灵敏度。

针对以上问题，武汉大学薛龙建教授团队受猫舌上丝状乳突的启发，开发了一种具有互锁仿生结构的柔性压力传感器（FPS_p）。与传统微结构不同，仿丝状乳突结构可以在压力增加的过程中转移应力集中的位置，从而有效避免应力累积导致的灵敏度降低。因此，FPS_p具有高灵敏度（高达 504.5 kPa⁻¹）、宽检测范围（30 Pa–350 kPa）、快速响应（83 ms）、高耐久性（8000 次循环）和高稳定性。作为应用展示，FPS_p可用于监测人体生理信号和人机交互界面。这项工作为高性能可穿戴压力传感器提供了一种新的设计策略。

2024年10月28日，该研究以 “Filiform Papillae-Inspired Wearable Pressure Sensor with High Sensitivity and Wide Detection Range” 为题发表在《Advanced Functional Materials》上。武汉大学薛龙建教授、吴国强教授和税朗泉教授为论文的共同通讯作者，武汉大学工业科学研究院21级博士生李刚为论文的第一作者。

文章要点

模仿猫舌上的丝状乳突结构，采用3D打印和软印刷技术构建了FPS_p。利用3D打印技术制备仿丝状乳突结构的硬模板，并通过复刻技术制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）负模。然后，将碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（CNTs/PDMS）前聚体填充到负模中，固化脱模后，得到具有仿丝状乳突结构的阵列(PIA)。最后，将两片PIA以乳突尖端与对应PIA基底接触的方式互锁组装成FPS_p。大量CNT片段暴露在PIA表面，是建立导电通路的关键。

图1. FPS_p的灵感来源以及制备流程示意图

FPS_p传感性能的关键参数灵敏度（S）在30 Pa–2.9 kPa的压力范围内，最高可达504.5 kPa^-1；在170–350 kPa的压力范围内，S逐渐下降至1.4 kPa^-1。在同一压力范围内，FPS_p的S值远高于PIA，且压力越大，S值的差异越大，证明了互锁组装的优势。与之前报道的具有类似材料组成或结构设计的压阻式传感器相比，FPS_p兼具高灵敏度和宽检测范围，表明基于该仿生策略的设计能有效提高传感性能。此外，FPS_p还具有较快的响应时间（83 ms）、良好的周期响应性和长期稳定性（8000次循环）。在不同的环境（温度和湿度）和机械形变（拉伸、扭曲）下，FPS_p的传感性能也能长期保持稳定，证明了FPS_p具有很好的鲁棒性。

图2. FPS_p传感性能的研究

有限元分析显示，FPS_p中乳突结构的变形可分为三个阶段：I)初始接触阶段。乳突尖端与对面PIA的基底接触，形成少量的导电路径；II)弯曲接触阶段。当压缩增加时，乳突的变形使接触面积急剧增加，导电路径的数量也急剧增加。在此期间，乳突尖端与对面PIA的基底保持接触；III)后弯曲接触阶段。增大的压力会进一步弯曲乳突结构，乳突尖端与对面PIA的基底表面分离，但保持有一段乳突表面和对面PIA基底保持接触。由于独特的变形过程，乳突中应力集中的位置随着应力的增大而持续转移。相对而言，随着压力的增大，传统金字塔和圆顶结构的尖端应力会一直保持在尖端部位，阻碍了结构其他部分的后续变形，降低了传感器在高负载下的灵敏度。结合优化后的结构参数（厚度、倾斜角和宽度），FPS_p可以进一步提高传感性能。

图3. FPS_p传感机理的研究

高灵敏度和宽检测范围使得FPS_p有望成为生理信号的可穿戴传感器。通过分析电信号的正负峰，可以监测志愿者的面部表情。基于声带振动产生的压缩效应，FPS_p可以区分不同人的发音习惯（或口音）。将FPS_p安装在胸部和手腕处，可以分别监测志愿者的呼吸状态和脉搏。FPS_p还能有效跟踪人体运动，如膝关节屈曲和步态。经过校准，信号的峰强、峰宽和间隔等特征可以揭示人的体重、步态、心率、呼吸和情绪等。不同信号的耦合使得FPS_p能够监测人们的健康状况、康复以及运动训练。

图4. FPS_p的可穿戴应用

FPS_p可作为智能传感器识别材料属性。例如，通过分析自由下落小球的初始信号和静止信号中包含的信息，可以揭示小球的密度、尺寸、材质等特性和下落高度。FPS_p还可以作为信息交互界面。通过无线传输模块，FPS_p可用于无线协作检测脉搏等医学信号，为无线远程医疗提供更多可能性。利用集成的FPS_p可实现手势信号的交互，保证手语者或语言障碍人士之间的正常交流。通过量化按压FPS_p阵列的力度，可实现对传统键盘锁的二次加密。只有当数字密码和相对按压强度都匹配时，锁才能被打开，从而实现安全等级更高的按键加密。

图5. FPS_p的信息交互

总结

该工作受猫舌头上丝状乳突结构的启发，开发了一种具有仿乳突结构的压力传感器FPS_p。乳突结构在压力增加时会不断转移应力集中的位置，避免应力在乳突尖端累积，从而获得了高灵敏度（高达 504.5 kPa⁻¹）、宽检测范围（30 Pa–350 kPa）、快速响应（83 ms）、高耐久性（8000 次循环）和高稳定性的优异综合性能。基于此，FPS_p实现了在监测人体生理信号和人机界面等方面的实际应用。总之，这项研究为高性能柔性压力传感器的设计提供了一种新的设计策略，并展示了其作为人机界面多功能可穿戴电子设备的潜在用途。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414465