近日，上海交通大學(xué)趙亞平教授和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建出一種新型石墨烯基壓阻傳感器。
該傳感器采用雙面金字塔結(jié)構(gòu)石墨烯基氣凝膠作為傳感層、超疏水石墨烯尼龍織物為電極層，并利用 Ecoflex 橡膠框架作為彈性支撐體，成功實(shí)現(xiàn)了高靈敏度（37.3kPa?1）和寬線性范圍（0-1.4MPa），同時(shí)在 30000 次操作循環(huán)周期內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性。
結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析，課題組揭示了金字塔微結(jié)構(gòu)與橡膠框架的協(xié)同作用對(duì)于傳感器靈敏度和線性傳感范圍的顯著促進(jìn)作用。此外，他們還研究了傳感器的材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特性以及傳感性能。
本次制備的全碳基壓阻傳感器具有高生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境可持續(xù)性，且制造工藝簡便，在生理信號(hào)監(jiān)測、語音識(shí)別和人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。
未來幾年內(nèi)，該傳感器將在以下應(yīng)用中具有重要發(fā)展?jié)摿Γ?/p>
在醫(yī)療健康監(jiān)測方面，傳感器的柔性和透氣性使其可以無縫集成到電子皮膚或其他可穿戴設(shè)備中，以用于健康監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)以及身體姿態(tài)檢測。
在實(shí)時(shí)生理信號(hào)監(jiān)測方面，它能以較高精度追蹤呼吸頻率、脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等關(guān)鍵生理信號(hào)，為慢性病管理和健身人群的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)優(yōu)化提供支持，是個(gè)人健康監(jiān)控的高效工具。此外，傳感器還能捕捉人體的細(xì)微動(dòng)作變化，特別適合術(shù)后患者或受傷人群的步態(tài)分析與康復(fù)監(jiān)測。
在人機(jī)交互方面，檢測壓力信號(hào)傳感器可用于精確控制智能機(jī)器人、家用電器以及其他交互設(shè)備，從而用于工業(yè)自動(dòng)化和服務(wù)機(jī)器人等更廣泛的領(lǐng)域，為其提供靈敏的壓力感知以支持復(fù)雜交互任務(wù)。此外，傳感器對(duì)聲波的高靈敏性使其適合于智能助手、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)及遠(yuǎn)程語音控制設(shè)備，為語音交互提供可靠解決方案。與此同時(shí)，傳感器陣列還可以通過壓力和位置的雙重認(rèn)證機(jī)制，應(yīng)用于金融系統(tǒng)及敏感信息處理場景，為用戶提供高水平的數(shù)據(jù)與身份安全保障。
總之，這些潛在應(yīng)用場景表明：隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化與商業(yè)化推進(jìn)，該傳感器將在多個(gè)高價(jià)值領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為醫(yī)療、智能化和信息安全等行業(yè)注入新的活力。
本次研究基于數(shù)字健康與制造業(yè)的快速發(fā)展，以及下一代健康監(jiān)測、人工智能、先進(jìn)通信系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芎诵钠骷钠惹行枨蟆Ｔ诒姸?a class="keyword-search" >壓力傳感器類型中，壓阻傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、信號(hào)輸出便捷、制造成本低、檢測范圍廣等優(yōu)勢，正逐漸成為重要的市場增長點(diǎn)。
近年來，電子皮膚、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、醫(yī)療器械、人機(jī)交互和智能機(jī)器人等前沿領(lǐng)域的快速崛起，對(duì)壓阻傳感器提出了更高的性能要求，不僅需要傳感器具備優(yōu)異的可穿戴性，還要求其在多樣化應(yīng)用場景中展現(xiàn)卓越的壓力感應(yīng)能力。
目前的研究大多集中于通過新材料開發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新來優(yōu)化壓阻傳感器的性能參數(shù)，例如靈敏度、傳感范圍、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間、線性度和穩(wěn)定性等。然而，現(xiàn)有的優(yōu)化方案往往偏重于單一性能的提升，導(dǎo)致各性能指標(biāo)之間存在相互制約的問題。
例如，通過優(yōu)化傳感層的表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以顯著提高靈敏度，但卻可能限制傳感范圍；而增強(qiáng)材料的機(jī)械性能雖然能夠擴(kuò)大檢測范圍和提升穩(wěn)定性，卻可能犧牲靈敏度。因此，在可穿戴傳感器中實(shí)現(xiàn)高靈敏度和寬線性范圍的同時(shí)兼顧其他性能，成為該領(lǐng)域的一大技術(shù)瓶頸。
為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，本研究聚焦于解決壓阻傳感器在高靈敏度和寬線性范圍方面的平衡難題?；趫F(tuán)隊(duì)在石墨烯穩(wěn)定性和石墨烯氣凝膠材料方面的研究積累，充分利用石墨烯材料優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械性能及可調(diào)形貌特性，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了這種新型的全碳基壓阻傳感器。該傳感器實(shí)現(xiàn)了靈敏度與線性檢測范圍的雙重提升，為下一代高性能可穿戴傳感器技術(shù)的開發(fā)提供了解決方案。
就研究過程來說，在確定課題組方向之后，他們進(jìn)行了深入的文獻(xiàn)調(diào)研和理論設(shè)計(jì)。借此發(fā)現(xiàn)傳感層的微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以顯著提升靈敏度，而結(jié)合機(jī)械支撐部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠擴(kuò)展線性傳感范圍。同時(shí)，選擇透氣、環(huán)保的織物基底，以及高柔性、低成本的非金屬材料作為電極層，進(jìn)一步增強(qiáng)了傳感器的可穿戴性和實(shí)用性。
基于這些思考，他們提出一種多尺度設(shè)計(jì)方案。該方案具體包括：
- 以雙面金字塔結(jié)構(gòu)的石墨烯基碳?xì)饽z作為傳感層，以增強(qiáng)靈敏度和機(jī)械性能；
- 選用超疏水石墨烯涂層尼龍織物作為電極層，結(jié)合疏水處理和導(dǎo)電涂層，實(shí)現(xiàn)透氣與導(dǎo)電的統(tǒng)一；
- 使用 Ecoflex 硅膠框架提供高彈性支撐，提升傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
器件制備是實(shí)現(xiàn)傳感器性能優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該團(tuán)隊(duì)在這一階段開發(fā)了一系列創(chuàng)新工藝。
首先，他們利用 3D 打印技術(shù)制作金字塔模具，結(jié)合快速冷凍和熱解工藝，成功制備出雙面金字塔碳?xì)饽z，借此提升了傳感層的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。
其次，他們對(duì)尼龍織物表面進(jìn)行氧等離子體活化，通過氧等離子體活化尼龍織物表面，并通過甲基三氯硅烷進(jìn)行疏水處理，隨后加入石墨烯涂層，制備出兼具透氣性和導(dǎo)電性的超疏水織物構(gòu)建的電極層。此外，他們通過定制模具，采用 Ecoflex 硅膠材料制備出高彈性框架，為器件提供了可靠的機(jī)械支撐。
在器件組裝過程中，課題組將雙面金字塔碳?xì)饽z嵌入硅膠框架內(nèi)，并用超疏水石墨烯涂層尼龍織物封裝，形成三明治結(jié)構(gòu)的傳感器。通過優(yōu)化組件粘接工藝后，傳感器展示出高靈敏度（37.3kPa?1）、寬線性范圍（0–1.4MPa）以及超過 30,000 次循環(huán)的優(yōu)異穩(wěn)定性。
在完成性能測試之后，他們進(jìn)一步探索了傳感器的實(shí)際應(yīng)用潛力。借此發(fā)現(xiàn)，在醫(yī)療健康監(jiān)測傳感器可實(shí)時(shí)捕捉呼吸、講話和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等生理信號(hào)，適用于健康監(jiān)測和康復(fù)評(píng)估。其柔性與透氣性使其可無縫集成至電子皮膚或可穿戴設(shè)備中。結(jié)合傳感器對(duì)聲波的高靈敏性，他們開發(fā)了基于隨機(jī)森林分類模型和 t-SNE 降維技術(shù)的語音識(shí)別系統(tǒng)，顯著提升了其在復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)分類能力。
同時(shí)，其利用傳感器陣列實(shí)現(xiàn)位置與壓力的雙因素認(rèn)證，大幅提高了信息安全的防護(hù)等級(jí)，為敏感數(shù)據(jù)和身份驗(yàn)證提供了更高級(jí)別的保護(hù)。這些探索展示了傳感器在多領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
通過以上階段的系統(tǒng)推進(jìn)，本次研究不僅解決了壓阻傳感器領(lǐng)域的核心技術(shù)難題，也為多種實(shí)際應(yīng)用場景提供了可能性，為下一代傳感器的發(fā)展提供了解決方案。
日前，相關(guān)論文以《全碳?jí)鹤枋絺鞲衅鳎和ㄟ^多尺度設(shè)計(jì)增強(qiáng)靈敏度和寬線性范圍，適用于可穿戴應(yīng)用》（All-Carbon Piezoresistive Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide Linear Range via Multiscale Design for Wearable Applications）為題發(fā)在Advanced Functional Materials[1]。
上海交通大學(xué)博士生向麒璇是第一作者，上海交通大學(xué)趙亞平教授和譚慧君助理研究員擔(dān)任共同通訊作者。
目前，他們已經(jīng)擬定了以下幾個(gè)主要方向來拓展研究工作，以進(jìn)一步提升傳感器性能，并探索其更廣泛的潛在應(yīng)用場景。
首先，他們希望通過跨學(xué)科合作，開發(fā)醫(yī)療傳感器。研發(fā)具有高靈敏度、生物相容性和長期穩(wěn)定性的體內(nèi)植入式醫(yī)療傳感器。這類傳感器不僅需要滿足高靈敏度和穩(wěn)定性的要求，還需具備良好的生物相容性，以確保在人體內(nèi)長期使用時(shí)的安全性和可靠性。因此，他們將重點(diǎn)研究如何優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇，以便提高其在體內(nèi)和體外生理信號(hào)監(jiān)測中的性能。
其次，他們計(jì)劃將傳感器與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，探索用于實(shí)時(shí)測量和記錄體內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，并通過無線方式傳輸給外部設(shè)備。實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷、精準(zhǔn)治療和長期管理。
再次，他們也計(jì)劃利用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大規(guī)模數(shù)據(jù)集，優(yōu)化傳感器信號(hào)分類的準(zhǔn)確性，提升在高噪聲環(huán)境下的信號(hào)捕捉與處理能力。探索信號(hào)可逆轉(zhuǎn)換功能（如電信號(hào)到聲音，或聲音到文字的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換），為語音交互和人機(jī)協(xié)作提供更靈活的解決方案。
最后，該團(tuán)隊(duì)的長期目標(biāo)是通過持續(xù)優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及信號(hào)處理能力，結(jié)合跨學(xué)科的合作與技術(shù)創(chuàng)新，他們希望推動(dòng)下一代智能傳感器技術(shù)的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。
參考資料：
1.Xiang, Q., Zhao, G., Tang, T., Zhang, H., Liu, Z., Zhang, X., ... & Tan, H. (2024). All‐Carbon Piezoresistive Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide Linear Range via Multiscale Design for Wearable Applications.Advanced Functional Materials, 2418706.
運(yùn)營/排版：何晨龍
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