【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】柔性傳感器突破了傳統(tǒng)剛性器件在硬質襯底上集成的限制，將功能材料構筑于柔性或可拉伸基底之上，實現(xiàn)了器件的輕質共形與多維感知，為智能機器人觸覺皮膚、空天裝備健康監(jiān)測、穿戴式醫(yī)療設備等領域提供了重要的感知基礎。然而，柔性傳感技術雖在靈敏度、響應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用的關鍵瓶頸。線性不足不僅增加了系統(tǒng)標定與數(shù)據(jù)解耦的復雜度，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”的核心科學挑戰(zhàn)。針對這一難題，重慶研究院微納制造與系統(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構調(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)絡與離子信號調(diào)控機制的啟發(fā)，提出織物微結構接觸面積演化(∝P¹?³)+離子濃度自適應調(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調(diào)制兩種不同的非線性效應，使整體輸出關系趨近理想線性(C∝P)，從根本上突破了傳統(tǒng)“結構響應非線性”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。相關成果以“Skin-Inspired Ultra-Linear Flexible Iontronic Pressure Sensors for Wearable Musculoskeletal Monitoring”為題發(fā)表在《Nano-Micro Letters》。
 

　　納米纖維-離子凝膠復合結構，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”梯度模量結構的啟發(fā)，團隊基于靜電紡絲構筑了高模量納米纖維網(wǎng)絡嵌入低模量離子凝膠矩陣的異質復合結構。該結構使載荷在多層路徑中被逐級調(diào)控，實現(xiàn)了應力的協(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先水平。相關成果以“Ultra-Linear Flexible Pressure Sensors via Skin-Inspired Gradient Engineering”為題發(fā)表在《Composites Part B: Engineering》。
 

　　梯度模量結構實現(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)結構，實現(xiàn)了從上至下“軟-中-硬”的連續(xù)模量梯度分布，使傳感界面的應力集中得到有效釋放。該結構在高壓加載下仍能保持穩(wěn)定的電-力響應關系，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。相關成果以“Bioinspired Gradient-Modulus Iontronic 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，相關研究得到了國家自然科學基金等項目的支持。