隨著柔性電子、可穿戴醫療及機器人技術的飛速發展，柔性壓力傳感器需求激增，但其性能平衡面臨嚴峻挑戰。傳統傳感器難以兼顧高靈敏度與寬工作范圍：高靈敏度設計在高壓下易飽和失真，而寬量程傳感器對微弱信號響應不足。盡管微結構設計（如金字塔、圓柱陣列）和單一生物靈感（如荷葉、人體皮膚）提升了部分性能，但單一結構仍局限在特定壓力區間，無法滿足復雜場景需求。

清華大學田禾團隊提出“跨尺度互補復合”設計策略，首次將鯊魚皮微米級脊狀鱗片與鱷魚皮毫米級多級穹窿結構結合，開發出三種傳感器構型：鯊魚-鯊魚（S-S）、鱷魚-鱷魚（C-C）和鱷魚-鯊魚（C-S）。其中S-S構型在低壓區（0–2.5 kPa）靈敏度達32 kPa?1，適用于聲學監測；C-C構型在高壓區（≈100 kPa）穩定性突出，適用于步態分析；而C-S構型融合二者優勢，在1 Pa–80 kPa寬范圍內保持18.2 kPa?1高靈敏度、20 000次循環穩定性及21/28 ms快速響應，成功應用于脈搏監測、肢體運動跟蹤和自適應機器人抓取。相關論文以“ A High-Performance Pressure Sensor Combining the Biomimetic Structures of Shark and Crocodile Skins
”為題，發表在Advanced Functional Materials。

1. 自然啟發的結構創新

研究團隊通過掃描電鏡揭示鱷魚皮膚表面布滿毫米級多級穹窿（圖1a），可均勻分散壓力，避免應力集中；鯊魚皮膚則呈現微米級脊狀鱗片（圖1b），通過鋸齒排列增加接觸點，提升低壓靈敏度。基于此，團隊提出“跨尺度互補”設計理念（圖1c）：C-S傳感器將鱷魚皮大尺度穹窿與鯊魚皮微脊結構集成，使低壓區由鯊魚結構主導快速響應，高壓區由鱷魚結構維持穩定輸出，實現全范圍覆蓋（圖1d）。該設計為聲學檢測、運動監測等場景提供通用解決方案（圖1e）。

圖 1. 壓力傳感器的設計概念。 a) 鱷魚皮表面微結構圖像。 b) 鯊魚皮表面微結構圖像。 c) 結合鱷魚皮多級穹窿結構和鯊魚皮脊狀鱗片結構的復合壓力傳感器。 d) 基于鱷魚-鱷魚 (C-C)、鯊魚-鯊魚 (S-S) 和鱷魚-鯊魚 (C-S) 結構的傳感器性能對比。 e) 傳感器在聲音檢測、運動監測和機器人抓取中的應用。

2. 精密制備工藝

傳感器以石墨烯為導電材料，PDMS為柔性基底。首先以真實鯊魚皮和鱷魚皮為模板，通過環氧樹脂翻模制得負模板（圖2d, h），再灌注PDMS復制微結構（圖2e, i）。石墨烯漿料均勻涂覆后，將兩種微結構基板面對面封裝，形成三組傳感器（圖2a）。電鏡與拉曼光譜證實結構復現精度（圖2b, c, f, g）及石墨烯導電層均勻性。

圖 2. 跨尺度互補復合柔性壓力傳感器的制備與表征。 a) 傳感器制備流程圖。 b) 鱷魚皮橫截面掃描電子顯微鏡 (SEM) 表征圖。 c) 真實鱷魚皮。 d) 鱷魚皮表面負模板。 e) 具有鱷魚皮表面結構的柔性基底。 f) 鯊魚皮橫截面掃描電子顯微鏡 (SEM) 表征圖。 g) 真實鯊魚皮。 h) 鯊魚皮表面負模板。 i) 具有鯊魚皮表面結構的柔性基底。

3. 性能對比與機制

有限元模擬顯示：鯊魚脊狀結構在低壓下力集中于尖端，觸發多點接觸（圖3c）；鱷魚穹窿通過大小穹窿協同分散壓力（圖3d）。實測性能驗證：S-S傳感器在0–2.5 kPa靈敏度達32 kPa?1，但超過5 kPa即飽和；C-C傳感器在100 kPa高壓下仍保持0.30 kPa?1靈敏度，但低壓響應弱；C-S傳感器則呈現三段式線性響應（0–10 kPa: 18.20 kPa?1；10–40 kPa: 1.10 kPa?1；40–80 kPa: 0.12 kPa?1），綜合性能超越平面結構（圖3h）及文獻報道的仿生傳感器（圖3j）。

圖 3. 三種傳感器組合模式 (S-S, C-C, C-S) 的特性與性能。 a) 鯊魚皮和鱷魚皮表面結構示意圖。 b) 仿生結構中靈敏度與壓力關系示意圖。 c) 鯊魚脊狀鱗片結構在負載條件下的有限元模型。 d) 鱷魚多級穹窿結構在負載條件下的有限元模型。 e) S-S 組合的電阻相對變化隨負載壓力的關系。 f) C-C 組合的電阻相對變化隨負載壓力的關系。 g) C-S 組合的電阻相對變化隨負載壓力的關系。 h) 平面-平面組合的電阻相對變化隨負載壓力的關系。 i) 三種組合模式傳感器的性能對比。 j) 三種組合模式傳感器與先前報道傳感器的靈敏度和壓力檢測范圍對比。S-S: 鯊魚-鯊魚, C-C: 鱷魚-鱷魚, C-S: 鱷魚-鯊魚。

4. 三階段工作機制

C-S傳感器通過結構互補實現動態響應（圖4a）：

·低壓階段（0–10 kPa）：鯊魚微脊尖端變形主導，離散點接觸帶來超高靈敏度（圖4b）；

·中壓階段（10–40 kPa）：鯊魚結構漸飽和，鱷魚穹窿參與形成面接觸，實現平滑過渡（圖4c）；

·高壓階段（40–80 kPa）：鱷魚多級穹窿持續變形，避免結構塌陷（圖4d）。
該設計同時具備1 Pa微壓檢測能力（圖4g）、21/28 ms快速響應（圖4h）及20 000次循環穩定性（圖4f），性能全面領先現有技術（圖4i）。

圖 4. 跨尺度互補復合柔性壓力傳感器的性能。 a) C-S 組合的三階段線性變化。 b)-d) 三階段線性響應的器件示意圖和有限元模擬。 e) 小尺度鱗片狀結構層與大尺度穹窿結構層相互作用過程中的轉變過程。 f) 20,000 次加載-卸載壓力循環的穩定性測試。 g) 微壓力測試。 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對比。

5. 應用場景驗證

·聲學監測（S-S主導）：傳感器貼附揚聲器振膜，精準捕獲音樂節奏變化（圖5e, f）及“1-9”數字發音的喉部振動信號，經ConvNeXt網絡識別準確率達98.88%（圖5g-i）。

·健康與運動追蹤（C-S主導）：腕部可清晰分辨脈搏的叩擊波、潮波和重搏波（圖6a）；呼吸監測呈現尖銳呼氣峰（圖6c）；肢體運動如手腕旋轉（<90°）、肩部擺動（≈90°）及肘部彎曲（>90°）均被高精度捕獲（圖6d-f）。

·機器人自適應抓取（C-S實現）：集成傳感器的機械手可穩定抓取2克氣球（閾值壓力500 Pa）至200克重物（閾值壓力50 kPa），通過實時反饋調整握力，避免物體損傷或滑落（圖6g-i）。

·步態分析（C-C主導）：足底傳感器區分行走、跑步（步頻45→75步/分鐘）及跳躍的著地/懸空狀態（圖6k-m），高壓下信號穩定無失真。

圖 5. 跨尺度互補復合柔性壓力傳感器組合策略示意圖與聲學測試。 a) 基于跨尺度互補復合策略的應用設計示意圖。 b) 低壓條件下三種配置模式的性能對比評估。 c) 高壓條件下三種配置模式的性能對比分析。 d) 聲音測試示意圖。 e) 第一段音樂測試期間的電阻變化響應。 f) 第二段音樂測試期間的電阻變化響應。 g) 對清晰發音“1-9”數字單詞的電阻響應。 h) 使用 CNN-ConvNeXt 網絡架構對不同音調進行發音測試和信號評估。 i) 混淆矩陣。

圖 6. 可穿戴與機器人自適應抓取應用。 a) 腕部脈搏信號監測。 b) 跨尺度互補復合柔性傳感器的可穿戴應用示意圖。 c) 吹氣信號監測。 d) 腕部運動信號監測。 e) 肩部運動信號監測。 f) 肘部運動信號監測。 g) 機器人自適應抓取應用的系統連接圖。 h) 目標物體的抓取及操作流程。 i) 機器人抓取氣球和標準砝碼 (100g 和 200g)。 j) 足底壓力檢測示意圖。 k) 行走時足部傳感器記錄的壓力響應信號。 l) 奔跑時足部傳感器記錄的壓力響應信號。 m) 跳躍活動時足部傳感器記錄的壓力響應信號。

展望

該研究提出的跨尺度互補策略為下一代高性能傳感器設計開辟新范式。未來通過融合二維納米材料（如石墨烯、MXene），有望進一步提升靈敏度與多功能性。此項技術將推動可穿戴醫療、人機交互及智能機器人領域的突破性創新。

來源：高分子科學前沿

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