高線性類皮膚柔性傳感器研究取得系列進(jìn)展

　　線性度是柔性傳感技術(shù)的核心測(cè)量能力，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(cè)量可追溯性。

　　中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院提出基于皮膚啟發(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。

　　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(guò)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0MPa—1MPa的寬工作區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了線性度R2=0.997、靈敏度242kPa-1的性能，線性靈敏度因子（LSF）高達(dá)242000。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(cè)試中實(shí)現(xiàn)了載荷評(píng)估誤差僅1.8%的高精度監(jiān)測(cè)，相比傳統(tǒng)非線性傳感方案顯著提升。

　　團(tuán)隊(duì)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)，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1MPa的寬壓強(qiáng)區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了近乎完美的線性高靈敏度，線性靈敏度因子達(dá)到81300，在離子型柔性傳感器中處于領(lǐng)先水平。

　　團(tuán)隊(duì)還提出了梯度模量低漂移離電柔性傳感器的新思路：通過(guò)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)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(cè)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)研究成果分別發(fā)表在Nano-Micro Letters、Composites Part B: Engineering、ACS sensors上。

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。