隨著柔性電子、可穿戴設備、醫(yī)療監(jiān)測和機器人技術的快速發(fā)展，對柔性壓力傳感器的需求不斷增加，且性能要求愈發(fā)嚴苛。在眾多壓力傳感器工作機制中，電阻式壓力傳感器因其高靈敏度、簡單結構、穩(wěn)定信號和易制造而備受青睞。相關研究表明，采用微結構設計（如金字塔、圓柱和圓錐形狀）可有效優(yōu)化傳感器性能。自然界中許多生物進化出了高效的壓感機制，為傳感器設計提供了寶貴靈感。例如，荷葉、玫瑰花瓣、青蛙皮膚和蟑螂觸角等表面結構展現(xiàn)出優(yōu)異的壓感能力。然而，現(xiàn)有基于單微結構的傳感器往往僅在特定壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)勢，難以在寬壓力范圍內(nèi)平衡高靈敏度與強壓力抗性。

【方法與實驗】

1.仿生結構靈感來源

鯊魚皮膚的微觀脊狀鱗片結構和鱷魚皮膚的宏觀多級穹頂結構分別為傳感器提供了微米級和毫米級的結構設計靈感。魚鯊皮膚結構有助于在低壓下快速增加摩擦和接觸點，提高靈敏度。鱷魚皮膚結構則有助于均勻分布壓力，增強穩(wěn)定性和抗過載能力。

2.傳感器設計與制備

研究團隊提出了跨尺度互補復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：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，通過微壓印技術制造仿生微結構表面。通過實驗測試了三種組合模式傳感器（S-S、C-C、C-S）的性能，重點評估了靈敏度、工作范圍、穩(wěn)定性和動態(tài)響應等關鍵指標。靈敏度定義為傳感器相對電阻變化與所施壓力的比值。

【性能與機制】

1.仿生傳感器性能

S-S傳感器：利用微尺度脊狀鱗片結構，在低壓范圍（0–2.5 kPa）實現(xiàn)了32 kPa-1的 exceptional 靈敏度，適用于高精度應用如聲學監(jiān)測。其在低壓力下表現(xiàn)出快速的相對電阻變化增加，在0–2.5 kPa的線性范圍內(nèi)靈敏度達到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穹頂結構，在約100 kPa的高壓下實現(xiàn)穩(wěn)定變形和信號輸出，適用于步態(tài)分析等場景。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)同整合兩種生物結構，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)）和快速動態(tài)響應（21/28毫秒響應/恢復時間）。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傳感器機制分析

跨尺度互補復合傳感器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，進而改變石墨烯導電通路數(shù)量。C-S器件在不同壓力階段的變形特性可分為三個階段，對應于鯊魚皮膚和鱷魚皮膚啟發(fā)的層級結構在跨尺度互補復合壓力傳感器中的三段式線性響應：

（1）低壓階段（0–10 kPa）：鯊魚皮膚的微脊和鱗片結構首先發(fā)生明顯彈性變形，形成離散的微點接觸，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，鯊魚皮膚微結構變形逐漸飽和，接觸點開始合并形成接觸面。同時，鱷魚皮膚的多級穹頂結構參與變形，產(chǎn)生新接觸點。此階段呈現(xiàn)出點接觸和面接觸的協(xié)同效應。

（3）高壓階段（40–80 kPa）：鯊魚皮膚微結構幾乎失去變形能力，鱷魚皮膚的多級穹頂結構主導傳感器變形，將接觸界面轉變?yōu)橐悦娼佑|為主的模式。由于其結構特點，層級穹頂結構能持續(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。

【應用場景與優(yōu)勢】

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用，如聲音/語音監(jiān)測。例如，通過將S-S柔性壓力傳感器附著在揚聲器的振膜上，可捕捉細微壓力變化并轉換為可識別的電信號，實現(xiàn)高精度聲音信號監(jiān)測和分析。還可附著在喉嚨監(jiān)測聲帶振動，實現(xiàn)語音信號的精準捕捉和分析。

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，適用于步態(tài)監(jiān)測等場景。例如，部署在前腳區(qū)域用于系統(tǒng)性足底壓力檢測，能清晰區(qū)分不同活動狀態(tài)下的信號特征和幅度。

3.C-S傳感器

作為可穿戴設備，能精確監(jiān)測從細微生理活動到大幅度人體運動的各種活動，顯著提升了運動和健康監(jiān)測的全面性。例如，附著在橈動脈時可準確檢測脈搏波形，附著在面具上可檢測正常呼氣，在手腕、肩部和肘部等關節(jié)處能精確監(jiān)測運動變化。在自適應機器人抓取領域，C-S傳感器通過結合鯊魚皮膚啟發(fā)的微結構的高靈敏度和鱷魚皮膚啟發(fā)的宏結構的強大壓力承受能力，展示了在模仿人類抓取和觸覺感知方面的巨大應用潛力。

【圖文導讀】

圖1.壓力傳感器的設計概念。a）鱷魚皮表面顯微結構圖像。B）鯊魚皮表面顯微結構圖像 c）結合鱷魚皮的多層圓頂結構和鯊魚皮的脊狀鱗片結構的復合壓力傳感器。d）基于鱷魚-鱷魚、鯊魚-鯊魚和鱷魚-鯊魚結構的傳感器的性能比較。d）基于鱷魚-鱷魚、鯊魚-鯊魚和鱷魚-鯊魚結構的傳感器的性能比較。

圖2.跨尺度互補復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）真實的鱷魚皮。d）鱷魚皮表面的負模板。e）具有鱷魚皮表面結構的柔性基底。f）鯊魚皮的橫截面SEM表征。g）真實的鯊魚皮。h）鯊魚皮表面負模板。i）具有鯊魚皮表面結構的柔性基底。

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構示意圖。B）仿生結構中靈敏度與壓力關系示意圖。c）負載條件下鯊魚脊狀鱗片結構的有限元模型。d）鱷魚多級穹頂結構在載荷條件下的有限元模型。e）S-S組合的阻力相對于負載壓力的相對變化。f）C-C組合的電阻相對于負載壓力的相對變化。f）C-C組合的電阻相對于負載壓力的相對變化。h）平面-平面組合的阻力相對于載荷壓力的相對變化。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道的傳感器的靈敏度和壓力檢測范圍的比較。S-S：鯊魚鯊魚，C-C：鱷魚鱷魚，C-S：鱷魚鯊魚。

圖4.跨尺度互補復合柔性壓力傳感器的性能。a）C-S組合線性變化的三個階段。b）-d）三級線性響應的器件圖和有限元模擬。e）小尺度、鱗片狀結構層與大尺度穹隆結構層相互作用過程中的轉化過程。f）超過20000個加載-卸載壓力循環(huán)的穩(wěn)定性測試。g）微壓測試。h）響應和恢復時間測試。i）跨尺度互補復合柔性壓力傳感器與其他傳感器的綜合性能比較。

圖5.跨尺度互補復合柔性壓力傳感器組合策略和聲學測試示意圖。a）基于跨尺度互補復合策略的應用設計示意圖。b）基于跨尺度互補復合策略的應用設計示意圖。c）高壓條件下三種配置方式的性能對比分析。d）聲音測試示意圖。e）第一音樂片段測試期間的電阻變化響應。f）第二音樂片段測試期間的電阻變化響應。g）對不同的“1-9”數(shù)字詞發(fā)音的抗性反應。h）使用CNN-ConvNeXt網(wǎng)絡架構的不同音調(diào)的說話測試和信號評估。

圖6.可穿戴和機器人自適應抓取應用。a）腕部脈搏信號監(jiān)測。B）跨尺度互補復合柔性傳感器的可穿戴應用示意圖。c）吹氣信號監(jiān)測。d）手腕運動信號監(jiān)測。e）肩部運動信號監(jiān)測。f）肘部運動信號監(jiān)測。g）機器人自適應抓取應用的系統(tǒng)連接圖。h）抓取目標物體和操作程序。i）機器人抓取氣球和標準砝碼（100和200 g）。j）足底壓力檢測的示意圖。k-m）在步行、跑步和跳躍活動期間由腳部安裝的傳感器記錄的實時壓力響應信號。

原文鏈接：

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