【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(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，實(shí)現(xiàn)了器件的輕質(zhì)共形與多維感知，為智能機(jī)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(xiàng)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(hào)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(duì)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(tuán)隊(duì)提出基于皮膚啟發(fā)的雙機(jī)制離電傳感新機(jī)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(jìn)展。
皮膚啟發(fā)的雙機(jī)制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)寬量程高線性柔性傳感器。針對(duì)柔性傳感器高靈敏度與高線性度難以兼得的長期瓶頸，團(tuán)隊(duì)受到人類皮膚層狀纖維網(wǎng)絡(luò)與離子信號(hào)調(diào)控機(jī)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(jī)制協(xié)同模型。該機(jī)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(jī)理，團(tuán)隊(duì)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(shí)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(dá)242,000。隨后，團(tuán)隊(duì)將該傳感器集成于智能鞋墊平臺(tái)，建立了步態(tài)-脛骨載荷的實(shí)時(shí)映射模型，在行走與跑步測試中實(shí)現(xiàn)了載荷評(píng)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(yàn)證了高線性傳感器在醫(yī)療級(jí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的精確測量潛力。相關(guān)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(fù)合結(jié)構(gòu)，拓展線性區(qū)間與信號(hào)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(tuán)隊(duì)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(jí)調(diào)控，實(shí)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(qiáng)區(qū)間內(nèi)實(shí)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(dá)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 Part B: Engineering》。
梯度模量結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柔性傳感器穩(wěn)定性提升。團(tuán)隊(duì)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(qiáng)層與分層交聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)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(hào)一致性與環(huán)境穩(wěn)定性。相關(guān)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(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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