柔性傳感器突破了傳統(tǒng)剛性器件在硬質(zhì)襯底上集成的限制，將功能材料構(gòu)筑于柔性或可拉伸基底之上，上海新躍儀表廠實現(xiàn)了器件的輕質(zhì)共形與多維感知，為智能機器人觸覺皮膚、空天裝備健康監(jiān)測、穿戴式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域提供了重要的感知基礎(chǔ)。
然而，柔性傳感技術(shù)雖在靈敏度、響應(yīng)速度等單項性能上取得顯著突破，但其核心測量能力—線性度仍是制約其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。線性不足不僅增加了系統(tǒng)標(biāo)定與數(shù)據(jù)解耦的復(fù)雜度，更直接影響到信號的物理可比性與測量可追溯性，成為柔性傳感器從“定性感知”邁向“定量測量”的核心科學(xué)挑戰(zhàn)。
針對這一難題，上海自動化儀表有限公司微納制造與系統(tǒng)集成研究中心研究團隊提出基于皮膚啟發(fā)的雙機制離電傳感新機理與多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，發(fā)展出高線性寬量程離電柔性壓力傳感器的可控制備方法體系，取得系列進展。
皮膚啟發(fā)的雙機制設(shè)計，實現(xiàn)寬量程高線性柔性傳感器。針對柔性傳感器高靈敏度與高線性度難以兼得的長期瓶頸，團隊受到人類皮膚層狀纖維網(wǎng)絡(luò)與離子信號調(diào)控機制的啟發(fā)，提出織物微結(jié)構(gòu)接觸面積演化(∝P1?3)+離子濃度自適應(yīng)調(diào)制(∝P2?3)的雙機制協(xié)同模型。該機制通過耦合幾何接觸與電化學(xué)調(diào)制兩種不同的非線性效應(yīng)，使整體輸出關(guān)系趨近理想線性(C∝P)，從根本上突破了傳統(tǒng)“結(jié)構(gòu)響應(yīng)非線性”限制。基于這一機理，團隊制備出新型離電式柔性壓力傳感器，在0–1 MPa的寬工作區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)了線性度R2=0.997、靈敏度242 kPa?1的性能，線性靈敏度因子(LSF)高達242,000。隨后，團隊將該傳感器集成于智能鞋墊平臺，建立了步態(tài)-脛骨載荷的實時映射模型，在行走與跑步測試中實現(xiàn)了載荷評估誤差僅1.8%的高精度監(jiān)測，相比傳統(tǒng)非線性傳感方案顯著提升，驗證了高線性傳感器在醫(yī)療級運動監(jiān)測中的精確測量潛力。相關(guān)成果以“Skin-Inspired Ultra-Linear /WWW.shybdj6.net
Flexible Iontronic/WWW. shhzy3.cn/Pressure Sensors for Wearable Musculoskeletal Monitoring”為題發(fā)表在《Nano-Micro Letters》。
納米纖維-離子凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，拓展線性區(qū)間與信號可控性。受人類皮膚“表皮剛性—真皮黏彈性—皮下柔順性”梯度模量結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，團隊基于靜電紡絲構(gòu)筑了高模量納米纖維網(wǎng)絡(luò)嵌入低模量離子凝膠矩陣的異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使載荷在多層路徑中被逐級調(diào)控，實現(xiàn)了應(yīng)力的協(xié)同分散與離子遷移的受限調(diào)節(jié)。器件在1 MPa的寬壓強區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)了近乎完美的線性(R2=0.999)與81.3 kPa?1 的高靈敏度，線性靈敏度因子達到81,300，在離子型柔性傳感器中處于領(lǐng)先水平。相關(guān)成果以“Ultra-Linear Flexible Pressure Sensors via Skin-Inspired Gradient Engineering”為題發(fā)表在《Composites/m.zyyyzs.com Part B: Engineering》。
梯度模量結(jié)構(gòu)實現(xiàn)柔性傳感器穩(wěn)定性提升。團隊提出了梯度模量低漂移離電柔性傳感器的新思路：通過在離子凝膠體系中引入玻纖增強層與分層交聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了從上至下“軟-中-硬”的連續(xù)模量梯度分布，使傳感界面的應(yīng)力集中得到有效釋放。該結(jié)構(gòu)在高壓加載下仍能保持穩(wěn)定的電-力響應(yīng)關(guān)系，使柔性傳感器在多循環(huán)測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的信號一致性與環(huán)境穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Bioinspired Gradient-Modulus 、WWW.shhzY3.cnIontronic Sensors with Drift-Suppressed Stability for Biomechanical Monitoring”為題發(fā)表在《ACS sensors》。
助理研究員李佩、客座培養(yǎng)博士研究生茍欣、博士研究生張勇為上述論文的第一作者，重慶研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心楊俊研究員為上述論文的通訊作者，相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
