新疆理化所在柔性應變觸覺傳感器領域研究取得進展

2025-03-13 16:55:37中國科學院新疆理化技術研究所閱讀量：16619      我要評論

　　柔性應變觸覺傳感器在機器人、可穿戴電子學等領域受到了極大的關注。近年來，具備寬廣傳感范圍與高靈敏度的電阻型柔性應變傳感器取得了顯著的進展。然而，這些傳感器在電子皮膚觸覺傳感應用中存在長期耐用性的技術瓶頸。

　　目前，通過構建保護層以隔離傳感材料與外部環(huán)境是提高傳感器長期耐用性的常見策略。盡管通過構建保護層策略可提升傳感器耐久性，但由此引發(fā)的層間相互作用會導致滯后性增加和穩(wěn)定性下降，嚴重影響其在醫(yī)療監(jiān)測等精密場景的應用效能。因此，關于如何在提升電阻型柔性應變觸覺傳感器長期耐用性的同時保持其高性能傳感性能，仍然是該領域的挑戰(zhàn)。

　　針對上述挑戰(zhàn)，中國科學院新疆理化技術研究所材料物理與化學研究室研究科研團隊提出了一種創(chuàng)新的解決方案。通過設計一種具有Ravioli Pasta結構(RPS)的可拉伸應變傳感器，該傳感器通過雙靜電紡絲納米纖維和噴涂碳納米管技術實現(xiàn)。將具有島橋微裂紋結構的復合傳感材料嵌入雙靜電紡絲納米纖維薄膜，創(chuàng)新構建三維恢復力系統(tǒng)。該結構通過梯度孔隙率調控和碳納米管噴涂工藝的協(xié)同作用，實現(xiàn)了微裂紋自愈合功能，使傳感器在50%應變條件下仍保持24ms快速響應，經(jīng)12000次循環(huán)測試后靈敏度系數(shù)(GF)穩(wěn)定維持在37.38，滯后系數(shù)(γ)低至3.568%。同時，在應用驗證中，該傳感器成功實現(xiàn)對人體脈搏、呼吸等微弱生理信號的穩(wěn)定采集，并在機器人手部運動控制系統(tǒng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的動態(tài)響應特性。

　　這種三維恢復力結構設計突破了傳統(tǒng)層狀復合材料的物理限制，為構建兼具長期耐用性與高靈敏度的柔性傳感系統(tǒng)提供了技術指導。此項研究創(chuàng)新性地將材料級配復合與微結構仿生設計相結合，不僅解決了柔性電子器件工程應用中的關鍵可靠性問題，更為可穿戴醫(yī)療設備、智能機器人等領域的傳感器設計提供了新的理論支撐。

　　相關研究成果以“Island-Bridge Microcracks with Nanofiber and Carbon Nanotube Composites for High-performance Flexible Strain Sensors”為題發(fā)表于Composites Part B: Engineering期刊，碩士研究生林凱賢為第一作者，中國科學院新疆理化所趙鵬君研究員和重慶綠色智能技術研究院楊俊研究員為共同通訊作者，中國科學院新疆理化技術研究所為第一單位。該工作得到了新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)計劃、天山英才科技創(chuàng)新團隊等項目的資助。

圖：構筑的島-橋微結構柔性應變觸覺傳感器及其在機器人手勢控制方面的應用

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