学术研究报告：用于软度感知和临床应用的柔性高灵敏模量传感器
一、 研究团队与发表信息
本研究由Qiang Zou、Fengrui Yang和Yaodong Wang共同完成，研究团队隶属于天津大学微电子学院、天津市物联网国际联合研究中心、天津市成像与感知微电子技术重点实验室。通讯作者为Qiang Zou。该研究成果以论文形式发表，题为“Highly sensitive flexible modulus sensor for softness perception and clinical application”，于2022年2月11日发表在学术期刊 Journal of Micromechanics and Microengineering (J. Micromech. Microeng.) 第32卷，论文编号为035004。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于柔性电子、电子皮肤和人机交互领域，具体聚焦于触觉传感技术。人类皮肤能够通过综合感知压力和形变来区分物体的软硬度，这种软度感知能力对于人类探索环境、操作物体至关重要，在临床手术中也能帮助医生定位病变组织。然而，对于截肢者或接受微创手术的患者而言，这种触觉感知能力会丧失或受限。现有的机器人或假肢虽然集成了压力、应变等多种触觉传感器，但直接、实时地测量物体的杨氏模量（Young’s modulus）——这一表征材料内在软硬度的关键物理量——仍是一个巨大挑战。现有方法或依赖笨重的设备（如压力计、位移计），或需要已知物体的几何尺寸，或基于非柔性的复杂结构，难以集成到可穿戴设备或柔性电子皮肤上。
因此，本研究旨在解决一个核心科学问题：如何开发一种柔性、可穿戴、高灵敏度的传感器，能够在不依赖物体几何信息、且不互相干扰的情况下，同时测量接触压力和物体表面压痕，从而直接、实时地计算出接触物体的杨氏模量，恢复类似人类皮肤的软度感知功能。其最终目标是推动该传感器在智能假肢、电子皮肤和微创手术辅助设备中的应用。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含传感器设计、材料制备、性能表征和应用验证四个主要流程，涉及多种材料的合成、传感器的制造、系统的性能测试以及概念验证演示。
流程一：传感器设计与工作原理构建 研究团队设计了一种双层解耦结构的柔性模量传感器。该传感器本质上由两个电容式传感器垂直集成：上层是一个基于静电电容原理的压力传感器，下层是一个基于界面电容（或离子双层电容，Electric Double Layer, EDL）原理的压痕传感器。 1. 压力传感器：采用三明治结构，由上电极（AgNWs/CPI）、共享中间电极（AgNWs/CPI）和Ecoflex介电层构成。当施加压力时，介电层厚度减小，导致静电电容改变，从而测量压力。 2. 压痕传感器：这是本研究的创新核心。它由共享中间电极（作为上电极）、一个半球形离子介电层（I-TPU，由热塑性聚氨酯TPU和离子液体[EMIM][TFSI]复合而成）和一个下电极（AgNWs/Ecoflex）构成。其独特的工作机制在于：当传感器接触物体并下压时，柔软的下电极会包裹半球形介电层，两者间的接触面积会因物体表面的凹陷（压痕）深度而变化。由于离子介电层与电极界面会形成EDL，而该界面电容远大于体电容，因此整个压痕传感器的电容主要由这个界面电容主导。接触面积的变化直接导致EDL电容的变化，从而实现了对物体表面压痕（变形）的测量。 3. 模量计算原理：根据接触力学，在相同压力下，较软（低模量）的物体会产生更大的压痕。该传感器通过上层压力传感器测得施加的压力（F/A），同时通过下层压痕传感器测得物体的相对形变（通过电容变化ΔC_indentation间接反映）。通过实验标定，建立ΔC_indentation/ΔC_pressure与物体杨氏模量之间的定量反比关系曲线，从而在未知物体几何尺寸的情况下，直接通过两个电容信号计算出物体的模量。
流程二：关键材料与传感器的制备 1. 材料：使用了PDMS、TPU、Ecoflex 00-30、银纳米线（AgNWs）、离子液体[EMIM][TFSI]等。 2. 半球形离子介电层制备：采用超高精度3D打印制作半球形模板，翻模得到PDMS二次模板。将TPU溶解在DMF中，加入不同质量分数（20%， 40%， 60%）的离子液体，形成离子凝胶（I-TPU gel）。将该凝胶滴在PDMS模板上，蒸发溶剂后得到具有半球形结构的离子介电层。 3. 电极制备：通过刮涂法在无色聚酰亚胺（CPI）薄膜上制备AgNWs/CPI电极；通过旋涂Ecoflex并喷涂AgNWs溶液的方法制备柔性的AgNWs/Ecoflex电极。 4. 传感器集成：将上述组件按设计结构组装，形成完整的柔性模量传感器。
流程三：传感器性能的综合表征 研究团队对传感器进行了全面而严格的性能测试，测试对象主要为一系列已知模量的PDMS样品（通过改变基胶与固化剂比例获得，模量范围0.06 MPa至1.503 MPa）。 1. 模量灵敏度测试：传感器以0-3 kPa的压力接触不同模量的PDMS样品，同步记录压力信号（ΔC_pressure）和压痕信号（ΔC_indentation）。绘制ΔC_indentation/ΔC_pressure与模量的关系曲线。结果显示，该传感器对低模量物质极其敏感，对于模量为0.06 MPa的PDMS，灵敏度高达1.9 × 10²，优于已报道的同类传感器。 2. 多模态与解耦测试：验证了压力测量和压痕测量互不干扰。在不同模量样品上，压力传感器的输出信号基本一致，而压痕传感器的输出则呈现显著差异，证明了其解耦设计的有效性。 3. 检测极限与分辨率：传感器能检测到模量低至0.026 MPa的PDMS样品，并能区分模量相差约12 kPa的样品。 4. 动态响应与可靠性测试：传感器表现出快速的动态响应，压痕信号的响应时间小于100毫秒。在3 kPa压力下对PDMS样品进行超过2500次的循环压缩测试，信号波形保持稳定，证明了其优异的机械鲁棒性。 5. 环境因素测试：评估了温度和湿度对传感器输出的影响。压力传感器输出随温度升高而降低，随湿度升高而升高；压痕传感器则相反。研究指出可通过补偿算法消除这些影响。 6. 有限元分析（COMSOL模拟）：通过仿真验证了半球形结构在接触时的应力集中特性，以及在不同模量基底上产生不同压痕深度和接触面积的理论基础，从力学角度支撑了传感器的工作机制。
流程四：概念验证应用演示 为了展示其应用潜力，研究团队在两个场景下进行了演示： 1. 假肢软度感知恢复：将传感器集成到假手手指上，模拟人类指尖触摸。成功区分了煮熟的鸡蛋、橙子以及新鲜与干燥蘑菇的软硬度，测得的实验模量与商用设备测得的参考模量高度吻合。同时，传感器还能反馈触摸过程中的压力信息。 2. 微创手术辅助：将传感器安装在连接到机械臂的探针上，模拟内窥镜手术中的组织触诊。传感器以极小的力（ kPa）轻柔地接触猪的心脏、肾脏和肝脏组织，成功测量出它们的模量（心脏最硬，肝脏最软），结果与标准设备测量值一致，证明了其在避免组织损伤的同时进行术中组织硬度评估的潜力。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究取得了一系列系统且相互支撑的结果： 1. 成功制备了功能完整的柔性模量传感器：通过创新的材料选择（I-TPU离子凝胶）和结构设计（双层解耦、半球形界面），实现了将压力传感和压痕传感两种功能集成于一个微小、柔性的器件中。 2. 阐明了并验证了基于界面电容的压痕传感新机制：实验结果（压痕信号对模量的高灵敏度）和对照实验（使用非离子或平面介电层的传感器性能不佳）共同证明了半球形离子介电层与EDL机制是实现高灵敏度压痕测量的关键。有限元分析从理论上佐证了半球形结构对不同模量材料产生不同接触面积的能力。 3. 获得了卓越的综合性能参数：实验数据表明，该传感器具有高模量灵敏度（1.9×10² @ 0.06 MPa）、快响应时间（<100 ms）、高机械耐久性（>2500次循环）、低检测限（0.026 MPa）以及压力-压痕测量解耦等核心优势。这些性能数据直接支撑了其应用于实际场景的可行性。 4. 实现了在模拟应用场景中的有效功能验证：在假肢和手术探针上的演示结果（成功区分日常物品和生物组织的软硬度，且测量值与参考值吻合）是前期设计、制备和性能测试结果的最终出口。它证明了传感器不仅能在实验室受控条件下工作，还能在更接近实际应用的动态、复杂环境中可靠运行，从而将基础研究成果推向应用价值层面。压力与模量信息的同步输出，恰好模拟了人类触觉中“力”与“形变”的综合感知。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发了一种新型的柔性、可穿戴模量传感器。其核心贡献在于提出并实现了一种通过融合静电电容压力信号和界面电容压痕信号来直接、实时测量物体杨氏模量的新策略。该传感器无需知晓被测物体的几何尺寸，在低压力范围内具有高灵敏度和快速响应，并且具备良好的机械鲁棒性。
科学价值：这项工作为触觉传感领域提供了新的思路，特别是将离子双层电容的界面特性创造性地应用于物理形变（压痕）的测量，丰富了柔性电子和电子皮肤在“软度”这一复杂物理量感知方面的技术路径。其双层解耦结构设计也为多功能集成传感器提供了参考。
应用价值：该传感器为恢复残疾人的软度感知能力、增强机器人及假肢的触觉反馈、以及为医生在微创手术中提供实时的组织硬度信息提供了潜在的解决方案。它使得电子皮肤能够更接近人类皮肤的真实感知维度，在医疗康复、人机交互和人工智能领域具有广阔的应用前景。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究还探讨了离子液体浓度对传感器性能的影响（输出随浓度增加而增加），并进行了系统的环境（温湿度）可靠性评估，指出了实际应用中可能面临的挑战（信号漂移）和潜在的解决方案（补偿算法），这些工作为传感器的实用化奠定了更坚实的基础。此外，文中通过埋藏硬币的Ecoflex样本实验，展示了传感器检测表层下异物的能力，这进一步拓展了其在无损检测或组织异常筛查方面的想象空间。