首创混合响应柔性压力传感器，为人把脉，将为机器人打造人类触觉

现任德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）天普基金会特聘终身教授的鲁南姝认为，人类科技的发展趋势一定是机器越来越像人，人越来越像机器。“人工智能时代，人机融合具有必然性，否则将与时代脱节” SpaceX CEO 伊隆·马斯克在 2017 年世界政府峰会上的发言令鲁南姝印象深刻。

（来源：Pixabay）

近年来，柔性可穿戴设备在监测人体生物信号方面的研究取得长足进步，使用柔性贴片随时随地监测血压、脉搏指日可待。然而，现有可穿戴压力传感器存在一个大问题：高灵敏度与宽域工作范围无法兼得。即使是非常轻微的压力，都会使传感器的灵敏度大幅下降。

“柔性压力传感器赛道非常拥挤，经过二十年的发展，研究遇到瓶颈，因为仍然没有很好的办法能够解决压力和灵敏度之间的矛盾，”鲁南姝说。

近期，鲁南姝带领的团队通过创新有史以来第一个混合传感器方法来填补这一空白，“这是第一个利用压阻-压容混合响应来承受压力而不显著降低灵敏度的传感器。”她向 DeepTech 表示。

首次将电容与电阻结合，平衡压力宽域与灵敏程度

鲁南姝课题组发明的“复合响应”压力传感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）近期在 Advanced Materials 上发表。

通过导电的多孔状微结构与超薄绝缘层的结合，研究员们首次发现分布式压电电阻和压电电容的混合响应能够使得柔性压力传感器兼具高灵敏度和宽域工作范围。小至一种果蝇的重量（0.07 pa），大到人脚踏步所产生的压力（125 kPa），都可以被灵敏地感应到。

图 | “复合响应” 压力传感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）

据介绍，该传感器是由一种超高孔隙率的导电纳米复合材料（porous nanocomposite, PNC），超薄绝缘层（PMMA）以及 Au/PI 电极复合而成。其中，多孔纳米复合材料（PNC）由碳纳米管（carbon nanotube, CNT）掺杂的 Ecoflex 硅胶构成。

图 | 复合响应压力传感器 HRPS 应用演示。

为了展示传感器对微小压力信号的灵敏程度，研究人员测量了一只仅有 0.7 毫克重的果蝇、传感器上方 3 cm 处的鼓风机吹出的气流、三个连续降落的水滴，以及人体颈动脉和颞动脉的脉搏跳动。

实验结果显示，HRPS 对果蝇自重带来的仅有 0.07 Pa 的压力，以及微小气流、水滴滴落时引起的压力响应准确且迅速，响应时间仅为 94 毫秒。

在健康监测方面，鲁南姝课题组的成员此次将柔软、轻薄的 HRPS 贴附在受试者颈动脉，可清晰探测到脉搏波动。颈动脉和额颞动脉属于细微搏动，其测量对设备的灵敏度要求极高。

哪怕事先在传感器上施加额外压力，比如为受试者戴上虚拟现实（VR）头盔，对 HRPS 产生了 8 kPa 的预压力，颞动脉搏动信号仍然能够被清晰测得。

“这是颞动脉搏动信号首次由电容式压力传感器无创地测量得到。” 鲁南姝说道。

在对高压力的测量中，HRPS 也表现出良好的灵敏度。论文的补充视频中，小组成员将 HRPS 贴在一位体重为 80 kg 的受试者的脚掌上，测量其在瑜伽垫上行走产生的压强，最终测量的最大记录值为 125 kPa ，这一数字与此前其他研究测得人脚行走产生的压强一致。

此次研究主要展示了 HRPS 在人体健康监测上的应用，除此之外，鲁南姝对他们研制的柔性传感器还有更宏伟的愿景。她正在研究如何将这种柔性传感器包裹在其他柔软物体上（如机器人手），使其具有人类皮肤的敏感性。通过模拟人类真实的触感，让机器人拥有通过触摸来识别物体的能力。

从电子纹身到电子皮肤，人与机器如何向彼此靠近？

2012 年，鲁南殊凭借“电子纹身”的发明入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”全球区域的榜单评选。

传统的智能穿戴设备体积较大，携带不便，穿戴舒适度欠佳。而“电子纹身”（Electronic Tattoo or E-Tattoo）具有无创、轻薄以及极佳的形变能力，并将心电，肌电，脑电等多种身体信息传输到手机、电脑等终端。这种一次性电子贴片在医疗或人机交互领域都具有极大的市场前景，被认为是“可穿戴设备的终极传感器形态”。

图 | 多层、模块化“电子纹身”可实现无线充电和无线数据传输

鲁南姝曾于清华大学和哈佛大学分别取得了学士学位和博士学位，后来在伊利诺伊大学香槟分校以贝克曼博士后研究员身份开展工作。她的研究领域涉及柔性电子的力学、材料、制造和人体集成等多个方向。

当下，鲁南姝从两方面来建构自己的科研大厦，一是电子纹身（E-tattoo），轻薄、柔软的特性使其能够良好贴合人体皮肤，捕捉生物信号，传感人类的生命体征。人体是一种模拟生物信号系统，而机器和电子世界则是数字的。因此若想实现人机交互，人需要“数字化”，“电子纹身”被认为是人类“数字化”的有效途径之一。

图 | 多层、模块化“电子纹身”可实现无线充电和无线数据传输

另一个是电子皮肤（E-skin），通过柔性压力、温度等传感器，让软机器人拥有类似于人类皮肤的敏感性，赋予其生动的触觉、视觉、听觉、味觉和嗅觉等感知能力。此次发表的研究便是一种新型的混合相应电子皮肤，拓宽传感器的压力工作范围，并保持触觉灵敏度。

鲁南姝的终极目标是能够完成人机交互的闭环：人体通过电子纹身实现与数字世界的链接，机器人则通过电子皮肤模拟人类感知环境。因此，她的团队一直围绕 “柔性生物电子系统” 在以下四个方面展开研究：

第一是柔性/可拉伸结结构力学研究。如被动型和主动型（压电）蜿蜒带状结构的变形机理以及由于多层柔性电子的层间杨氏模量失配导致的上下层弯曲解耦。

第二是二维材料和纳米材料，包括石墨烯电子纹身（Graphene E-Tattoo or GET），二维材料形成的纳米气泡和纳米帐篷机理，以及 PNC。

第三是制备工艺和转印技术，包括无线电子纹身的“切割—焊接—粘贴” 工艺和水辅助转印。

第四是生物-电子界面，包括器件与不平生物组织表面的共形机理，受剪纸启发的可共形人造视网膜，以及表面凹坑阵列带来的稳定且可重复使用的干性粘结界面。

人机交互，开启智慧养老时代

在问到自己最期待的应用场景时，鲁南姝说道：“我个人偏向于医疗方向的应用，尤其是养老”谈到养老问题时，她有些许的动容，并用到“鞭长莫及”来形容。

鲁南姝的奶奶、外公、外婆已年近百岁，但她长期在国外，受疫情的影响无法随时回到国内照顾家中的父母与老人。通过电子纹身实时监测老人活动与健康，通过机器人护工弥补有的巨大缺口和市场的养老问题，是鲁南姝所期待的未来，“在欠发达地区，护工非常缺乏，有能力且温柔的护工更是。为机器人制作电子皮肤，让其拥有匹敌人类的温柔与触感，将能很大程度上缓解这类职业缺口。”被问及人工智能取代人类工作的问题时，鲁南姝说：“人类情感交流不可替代，但事务性工作可以。”

（来源：Pixabay）

中社科院老年研究所估计，中国养老市场的商机约 4 万亿元，到 2030 年有望增至 13 万亿元。“养老服务业在凸显出民生事业特征的同时也彰显出其作为朝阳产业的巨大吸引力。”

第7次人口普查数据显示，我国 65 岁以上的老龄人口达到 1.9 亿人，占比达 13.5%，中国正在加速进入老龄化社会。传统养老模式已无法全盘适应当前需求，通过科技手段寻求新型多元复合治理方案解决老年人多层次需求成为必然趋势，鲁南姝以及其他科研人员的研究，将会是未来“智慧养老”图景不可或缺的一小片拼图。

复旦团队研发柔性压力传感薄膜，每秒可反馈30多个数据点

近日，复旦大学团队研发出一款能胜任各类日常使用场景的通用型柔性压力传感薄膜。

该传感膜具有较薄的厚度（0.7mm），可感知范围从人体轻微抚摸到激烈碰撞（1.84Pa 至 530kPa），每秒可反馈 30 多个数据点，低压力区间灵敏度达到 9.89kPa-1，且在 1 万次循环测试后并未表现出性能衰减。

整体来看，这款柔性压力传感薄膜兼具极宽的压力传感范围与优异的灵敏度。由于这款器件的形态是柔软的薄膜，因此可被轻松部署于多种设备的内部或表面。

另外，由于其性能覆盖范围较广，在实际应用中不需要进行选型和适配，因此，几乎可以胜任所有日常场景。

在相关论文中，研究团队演示了这款传感器检测指尖按压等微小力的能力，还演示了它在日常行走等场景下检测大区间波动压力的能力。

该团队负责人认为，随着传感器体积的不断减小，未来这款器件可以更好地与各类其他器件相结合，实现更智能、更友好的人机交互，从而用于虚拟现实、健康关怀等领域。

据介绍，柔性材料具有更加优异的弹性，能在受到外力时产生更大的本体形变，从而实现更高的传感灵敏度。

同时，由于其材料柔软，在与人体交互时，可以提供更友好、更舒适的反馈，因此非常适合用于力学传感。

另外，传统压力传感器的最终产品形态是一整块金属，其体积通常大于 8 立方厘米，柔性压力传感器则是一层柔软的弹性薄膜。因此，无论从成本还是形态而言，后者都是一类更为理想的传感器。

但是，该领域目前面临的一个问题是：这类传感器的几个主要参数比如灵敏度、量程、响应时间等，很难同时达到良好的水平。因此，虽然已经出现不少创新性研究成果，但在实际应用中依旧难以落地。

为了寻求突破，研究团队在传感器设计过程中，同时考虑了灵敏度、量程、稳定性、响应时间、检测限、薄膜厚度等六个影响使用的关键参数。

这六个参数其实是互相制约的，比如高灵敏度会限制检测限和传感量程，而要想实现较大的传感量程则需要通过提高器件厚度来实现。但是，弹性材料厚度的增加，会延长变形后的恢复时间，降低响应时间等。

为此，研究团队受人体手部皮肤的传感方式的启发，从材料的结构和弹性模量这两个维度进行协同设计。

在材料结构上，研究人员制备了具有阵列微结构的非对称互锁结构，该结构如同在碗口蒙了一张紧绷的牛皮。

当在其上放置一颗苹果，如果苹果上受到压力，就会使牛皮发生变形，从而获得传感信号。因为只有空气阻力，所以这款传感器表现出非常优异的检测限与灵敏度。

在弹性模量设计上，研究人员使传感器在受压方向上，具有从软到硬的梯度分布，尽可能保证传感器在受力越来越大的情况下，其变形的几何增量维持稳定，从而避免信号过快突变，这助力于实现较大的量程和较薄的厚度。

在将这两种设计理念融合之后，让之前的短板得到了补足，从而很好地平衡了不同参数的性能。

（来源：Advanced Functional Materials）

本研究的第一步是确定体系结构。

研究人员最初想借鉴以前工作中的想法，即使用微球阵列来制备小尺寸凹坑/穹顶微结构的方法。但是，在经过一番摸索之后，他们发现，小尺寸的微结构对于传感范围的提升帮助较小。

在调研大量文献之后，研究人员决定采用 3D 打印制备大尺寸模板的方案，并将传统的对称结构改进为非对称互锁结构，从而为本次传感器超宽的传感范围提供了基础。

本研究的第二步是选择传感机理。

在综合考虑目前柔性传感中的主流传感机制之后，研究人员认为电容式传感信号比较稳定，结构也相对简单，与此前设计的非对称互锁梯度模量结构十分契合。

确定传感机制之后，还需要进行中间介电层的材料选取。期间，研究人员使用了结构化电极的交联工艺，通过大量的样品制备和性能测试，最终模仿人体皮肤，设计了结构化电极和介电层梯度弹性模量的结构。

经过上述设计，非对称互锁结构可以确保高灵敏度并实现超宽范围的压力监测。

本研究的最后一步是在实际应用中展示该器件的性能。

研究团队聚焦于如今办公族和职业电竞选手逐年高发的手部疾病问题，研制并搭建了一个集识别、反馈和调节为一体的智能可调节鼠标。

得益于该传感器的优异性能，这款智能鼠标在使用时，能够进行实时自我调节，从而有助于缓解使用者手部的长期使用疲劳。这为下一代柔性传感在健康医疗和人机交互领域的应用提供了新的思路。

最终，相关论文以《用于超宽压电容压力传感应用的具有模量梯度的不对称互锁结构》（An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

复旦大学博士生马言是第一作者，复旦大学石澜青年副研究员和武利民教授担任共同通讯作者。

图 | 石澜（来源：石澜）

研究中，研究人员还迸发出一个非常奇妙的新灵感，该灵感使他们有希望实现一种迄今为止从未有过的新型压力传感器，它的独特特性可能会为整个行业注入新的活力。

“然而，为了保持研究的创新性，具体信息我们暂时还不能透露。”石澜表示。

研究人员还谈到，在进行柔性压力传感的研究中，有时候会有一种无从下手的感觉，因为目前这一领域给人一种仿佛所有问题都已解决，但又仿佛都没有解决的感觉。

具体而言，柔性材料内部相对松散的分子结构使其在实验室条件下展现出许多令人惊叹的性能，然而在大规模生产的条件下，要实现高度一致性与传感精度却充满挑战。

正是这一特性让这类器件距离真正走进千家万户还需要走很长的路。“因此，我想呼吁学界和业界能更频繁地交流，共同探讨应用难题的解决方案。唯有如此，才能更好地将科研成果转化为切实可行的产品。”石澜表示。

参考资料：

1.Ma, Y., Li, Z., Tu, S., Zhu, T., Xu, W., Chen, M., ... & Wu, L. (2023). An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications. Advanced Functional Materials, 2309792.

运营/排版：何晨龙

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