柔性可穿戴設(shè)備的迅速發(fā)展，使壓力傳感器在健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互和工業(yè)檢測(cè)中展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的壓電、電容、摩擦電與光學(xué)型壓力傳感器雖各具優(yōu)勢(shì)，但普遍存在靈敏度有限、檢測(cè)范圍受限或材料不可降解等問(wèn)題。作為地球上最豐富的天然高分子資源，纖維素具有無(wú)毒、可降解和可持續(xù)的特性，成為開(kāi)發(fā)綠色柔性傳感器的理想選擇。然而，由于纖維素分子中氫鍵和范德華力作用強(qiáng)，其模量過(guò)高，導(dǎo)致制備的傳感器靈敏度不足，難以滿足對(duì)低壓信號(hào)和寬范圍壓力檢測(cè)的需求。人類皮膚因梯度層狀結(jié)構(gòu)而具備卓越的壓力感知能力，這啟發(fā)了研究者通過(guò)仿生設(shè)計(jì)提升纖維素傳感器性能。本研究提出了一種仿生分層多孔纖維素水凝膠結(jié)構(gòu)，有效解決了高靈敏度與寬檢測(cè)范圍難以兼顧的難題。

02

本文要點(diǎn)

1. 仿生設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。構(gòu)建了軟層（大孔隙，低模量）與硬層（微孔隙，高模量）相結(jié)合的分層多孔水凝膠結(jié)構(gòu)，模擬皮膚表層與真皮層的梯度特征，實(shí)現(xiàn)低壓下高靈敏度與高壓下結(jié)構(gòu)支撐的協(xié)同。
2. 性能表現(xiàn)優(yōu)異。經(jīng)離子浸潤(rùn)處理后，水凝膠的導(dǎo)電性與介電性能顯著提升，傳感器表現(xiàn)出高達(dá) 1622 kPa?1 的靈敏度、1.6 Pa 的最低檢測(cè)限、160 kPa 的檢測(cè)范圍和 33 ms 的快速響應(yīng)時(shí)間，全面優(yōu)于大多數(shù)現(xiàn)有纖維素傳感器。
3. 多場(chǎng)景應(yīng)用拓展。該傳感器可用于人體健康監(jiān)測(cè)（如脈搏、眉部動(dòng)作、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)）、設(shè)備故障診斷（如吹風(fēng)機(jī)、真空泵振動(dòng)異常監(jiān)測(cè)）及二維壓力分布檢測(cè)（如足底壓力分布與步態(tài)分析），展現(xiàn)出醫(yī)療、工業(yè)及運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖1.HPCH分層多孔結(jié)構(gòu)仿生人類皮膚的層級(jí)設(shè)計(jì)原理示意

圖2.水凝膠的宏/微觀結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)性能對(duì)比

圖3.傳感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、耐久性等性能測(cè)試結(jié)果

圖4.傳感器在健康監(jiān)測(cè)和設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用示例

圖5.基于HPCH的二維壓力分布檢測(cè)與足底壓力監(jiān)測(cè)應(yīng)用

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研究結(jié)論

本研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于仿生分層多孔結(jié)構(gòu)的高性能纖維素水凝膠壓力傳感器。其軟層提供高變形性以提升低壓靈敏度，硬層則保證整體結(jié)構(gòu)在高壓下的穩(wěn)定性與耐久性。通過(guò)簡(jiǎn)單的離子浸潤(rùn)處理，進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性與介電特性，使傳感器在靈敏度、檢測(cè)范圍、響應(yīng)速度和耐久性方面均實(shí)現(xiàn)突破。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該傳感器在多種復(fù)雜場(chǎng)景中均能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的信號(hào)檢測(cè)，凸顯了其作為下一代綠色壓力傳感材料的巨大應(yīng)用前景。研究不僅為纖維素基柔性傳感器的性能提升提供了有效策略，也為天然高分子在可穿戴電子和智能診斷中的應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01718-z

審核編輯 黃宇