本研究由Xuanzi Luo、Xin Zhang（共同第一作者）、Shanpeng Ji、Chao Wu、Lin Cheng（通讯作者）、Daoyou Guo、Shunli Wang、Huaping Wu（通讯作者）和Aiping Liu（通讯作者）共同完成。主要作者来自浙江理工大学物理系（浙江省量子态调控与光场操纵重点实验室）和浙江工业大学机械工程学院（特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室）。该研究成果于2025年2月6日在线发表于国际知名期刊 Nano Energy（第136卷，文章编号110757）。
本研究的学术背景源于仿生柔性触觉传感器在可穿戴设备和智能机器人领域的巨大需求。人类的触觉感知依赖于对动态和静态力信号的融合处理，实现对物体形状、材质等属性的精准识别。然而，现有的柔性触觉传感器，尤其是双模式（压阻-压电）传感器，虽然能同时感知动态和静态刺激，但在实际应用中面临着一个关键挑战：如何在长期使用、反复拉伸压缩或意外损伤后，仍保持其卓越的传感性能和耐久性。人类皮肤具有天然的自愈功能，受此启发，研究者们一直在探索将自修复材料集成到电子皮肤中。但多数研究局限于单一模式的自修复传感，无法在损伤后同时恢复对动态和静态力的感知能力。因此，本研究的核心目标是开发一种具备完全自修复能力的双模式触觉传感系统，以模拟人手在抓取物体时的多功能感知，并能在受损后高效恢复其机械和电学性能。
为了达成上述目标，本研究设计并实施了一套完整的研究流程，主要包括自修复材料的合成、两种传感器的制备与性能评估、以及双模式系统的集成与应用验证。
研究的第一步是制备核心的自修复材料，即自修复聚二甲基硅氧烷（h-PDMS）。研究者通过将氨基封端的聚二甲基硅氧烷（at-PDMS）与两种异氰酸酯单体——4,4’-亚甲基双(环己基异氰酸酯)（HMDI）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）进行化学反应，成功在聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）分子链上接枝了强度和数量不同的氢键。其中，对称结构的HMDI形成了更强的四重氢键（strong hydrogen bonds, SHBs），为材料提供了优异的弹性；而非对称结构的IPDI形成了较弱的双氢键（weak hydrogen bonds, WHBs），它们充当牺牲键，通过可逆的断裂与重组来耗散应变能，从而提升材料的循环利用性和耐久性。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了氨基甲酸酯酰胺I和II型特征峰的存在，验证了氢键的成功合成。通过对HMDI与IPDI不同摩尔比的实验筛选，发现比例为6:4时，材料在室温下自修复24小时后，其自修复效率最高，达到93%。
第二步是基于h-PDMS材料，分别制备自修复压阻传感器和自修复压电传感器。压阻传感器用于模拟手指关节弯曲以感知物体尺寸。其制备方法是：先制备h-PDMS基底，然后利用紫外切割技术在聚酰亚胺薄膜上制作“U”形凹槽作为掩模板，再将一种特殊的自修复液态金属墨水均匀涂敷在凹槽内以形成导电通路。这种液态金属墨水是通过细胞破碎机将液态金属在h-PDMS溶液中破碎并离心得到的，解决了液态金属难以在基底上均匀铺展的难题。最后，封装另一层涂有液态金属墨水的h-PDMS层，通过室温自修复形成一个完整的集成封装结构。压电传感器则用于模拟指尖的触觉感受器，以识别物体表面形貌。其核心是将表面改性后的锆钛酸铅（lead zirconate titanate, PZT）陶瓷纳米颗粒与h-PDMS基体复合。为了避免PZT颗粒团聚，研究中使用硅烷偶联剂（TMSPM）对其进行表面改性，从而使其在h-PDMS中均匀分散。混合后的复合薄膜经高压电场极化，使PZT颗粒的偶极子取向一致，从而获得压电性能。最终，在薄膜两面镀上金电极，完成传感器制备。
研究的第三步是对这两种传感器及其集成的双模式系统进行全面的性能评估和应用验证。性能测试包括灵敏度、线性度、稳定性、环境适应性以及核心的自修复能力。对于压阻传感器，在0-90°的弯曲范围内，电阻变化与弯曲角度呈高度线性关系（R²=0.98），灵敏度因子为0.2。在自修复测试中，传感器被完全切断后，其电信号能在150毫秒内瞬间恢复，机械性能和传感信号在室温自愈24小时后的恢复效率高达95%。即使在同一位置经历5次切割-自修复循环，其初始电阻值变化也仅为约5%。对于压电传感器，在0-50 N的压力范围内，输出电压表现出两段线性关系。在完全切断并自愈24小时后，其输出电压能从损伤后极低的水平恢复到原始的93%。经过3次切割-自愈循环后，信号输出能力仍能保持原始状态的约76%。两种传感器在不同温度（最高60°C）和湿度（最高76%）条件下，性能波动均小于6%，展现出良好的环境鲁棒性。在物体识别实验环节，五名志愿者手指上分别佩戴五个相同的传感器，对一系列不同尺寸和表面粗糙度的物体进行抓取测试。研究者创新性地引入了CMYK颜色模块叠加法来融合双模式信号：将压阻传感信号（反映尺寸）归一化后映射为C值，将压电传感信号（反映表面）归一化后映射为M值，两者叠加形成独特的CMYK颜色标记。独立的压阻传感器能以95%的准确率区分不同直径的球体，但无法识别相同尺寸、不同粗糙度的球体；独立的压电传感器能以98%的准确率识别不同表面纹理，但难以区分表面光滑、尺寸不同的球体。当集成两种传感模式后，双模式系统克服了单一传感器的局限，对物体的综合识别准确率达到了96%。尤为重要的是，即便在传感器被切割破坏并自行修复后，该系统的识别率依然保持在96%。
本研究的结论是，成功开发了一种模拟人类手指触觉与自愈功能的完全自修复双模式触觉传感系统。系统中的h-PDMS材料通过强弱氢键的协同作用，在室温下24小时内可达到93%的力学性能自愈效率。基于此材料制备的压阻和压电传感器，其电学与传感性能的自修复效率分别高达95%和93%。结合CMYK颜色叠加的信号融合策略，该系统能精准感知并融合物体的尺寸和表面形态信息，实现了96%的高准确识别率。
这项工作的科学价值在于，它不仅提供了一种将多种传感模态与全面自修复能力集成于一体的有效策略，而且深入阐述了基于强弱氢键协同作用的自修复机理。其应用价值广阔，特别是在仿生机器人、智能假肢和自动化农业领域。作为一个示范，研究团队将该双模式传感系统安装于机械爪上，成功应用于荔枝的品质分拣，能根据尺寸和果皮粗糙度将荔枝分为“优”、“次优”、“普通”和“劣”四个等级。这预示着该技术在智能物体识别和自动水果分选等工业应用中具有巨大潜力。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：首先，材料的创新，通过精妙设计强弱氢键的配比，合成了一种兼具高弹性、高拉伸性和高效室温自修复能力的h-PDMS弹性体，为传感器提供了类似人类皮肤的修复能力。其次，制备工艺的独特性，开发了可图案化的自修复液态金属墨水，解决了液态金属与柔性基底集成的难题，确保了压阻传感器在损伤后导电通路的瞬间重建。最后，研究方法的综合性，建立了从分子结构设计、材料合成、单模式传感器性能评估到双模式系统集成与应用验证的完整研究链路，并通过CMYK颜色叠加法，直观且有效地实现了双模式信号的融合与识别，即使在系统受损后仍能保持极高的识别准确率。