本研究由来自温州大学机电工程学院的Long Chen、Han Ye和通讯作者Ping Yu（邮箱：yuping552@163.com）共同完成。该研究成果于2024年4月25日在线发表于Elsevier旗下的学术期刊《Composites Science and Technology》上。
这项研究属于柔性电子传感器领域，聚焦于解决电阻式压力传感器一个关键的技术矛盾。在当前的学术研究中，为了提升传感器的灵敏度（sensitivity），研究者们通常会引入多孔结构（porous structures）来增大材料在受力时的形变程度。然而，这种方法虽然能有效探测微小压力，却往往以牺牲传感器的检测范围（measurement range）为代价，导致其只能用于低压环境，无法胜任高压检测任务。此外，传统柔性压力传感器大多采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）或硅橡胶等致密薄膜作为基底和封装层，这严重阻碍了皮肤与外界环境之间的气体和水分交换。因此，长时间佩戴此类设备会使用户感到闷热不适，影响用户体验和传感器在人体汗液影响下的长期稳定性。为了解决上述问题，本研究受人体皮肤多层结构启发，提出了一种基于PDMS梯度刚度泡沫（PDMS gradient stiffness foam, PGSF）的透气吸汗型压力传感器，旨在不牺牲检测范围的前提下实现高灵敏度，并同时解决佩戴舒适性问题。
本研究的实验工作流程严谨且层层递进，主要包括材料制备、表征、力学模拟、传感性能测试及应用验证五个环节。在材料制备环节，研究者通过调节两个关键变量来精确控制PDMS泡沫的刚度（stiffness）：一是孔隙率（porosity），通过改变氯化钠（NaCl）牺牲模板与PDMS的质量比来实现；二是交联度（cross-linking degree），通过调控PDMS预聚物与固化剂的比例来实现。具体操作上，研究者将PDMS与不同比例（3:1和6:1）的NaCl颗粒混合，并使用不同基础组分与固化剂配比（5:1, 10:1, 15:1）制备了多种泡沫。由此，产生了一种高刚度泡沫（命名为PHSF，孔隙率低且交联度高）和一种低刚度泡沫（命名为PLSF，孔隙率高且交联度低）。为解决PDMS本身疏水导致的碳纳米管负载困难的问题，研究者创新性地引入了聚多巴胺（PDA）修饰步骤：将PDMS泡沫浸泡在溶解有多巴胺盐酸盐的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中搅拌24小时，使PDA层自聚合在泡沫孔壁上，从而引入大量亲水的儿茶酚和氨基基团，将水接触角从140.7°大幅降低至63.7°，显著提升了亲水性。随后，将处理后的泡沫浸入质量分数为1%的多壁碳纳米管（MWCNT）乙醇分散液中，通过真空和超声处理使MWCNT均匀附着，最终干燥得到导电泡沫。PGSF传感器正是由这两层不同刚度的MWCNT@PDA/PDMS泡沫以1:1的高度比堆叠而成，上下表面覆盖带微孔阵列的透气导电织物作为电极。同时，通过改变两层泡沫的比例，还制备了高灵敏度类型（HSF，高低刚度层比例3:7）和宽检测范围类型（WDRF，比例7:3）的传感器。
表征与测试环节采用了多种设备。扫描电子显微镜（SEM）图像清晰显示，原始PDMS泡沫孔壁光滑，而经过PDA修饰后，骨架上沉积了大量纳米颗粒，表面变得粗糙。傅里叶变换红外光谱（FTIR）上新增的吸收峰也证实了PDA涂层的存在。力学性能方面，研究者使用万能试验机测试了不同参数泡沫的应力-应变曲线，并利用Workbench 2020 R2软件进行了机械仿真模拟。模拟结果表明，在低压下，梯度泡沫PGSF的形变特征与高孔隙率的低刚度泡沫PLSF相似，因而具备高灵敏度的潜力；而在高压下，当PLSF的形变趋于饱和时，PGSF中的低孔隙率高刚度泡沫PHSF层仍能持续变形，从而拓宽了压力检测范围。传感性能测试系统由万能试验机施加精确压力，通过直流电源和吉时利数字万用表记录电流变化来评估传感特性。
研究结果全面展示了PGSF的卓越性能。首先，PGSF成功解决了灵敏度与检测范围之间的折中难题。测试数据显示，其灵敏度在0–40千帕斯卡（kPa）范围内的低压区为0.202 kPa⁻¹，在40–210千帕斯卡的中压区为0.067 kPa⁻¹，在210–850千帕斯卡的高压区仍保持0.020 kPa⁻¹。这种分段式高灵敏度的实现，归功于梯度结构设计的逻辑层次：在低压段，高孔隙率的PLSF层优先发生显著形变，内部导电通路大量增加，导致电阻急剧变化，贡献了高灵敏度；进入中压段，低孔隙率的PHSF层开始参与形变，而PLSF层的形变趋于稳定，两者共同作用使传感器维持了相当的灵敏度；在高压段，整个三维导电网络的持续压缩仍在创造新的接触，使得传感器能够对高达850千帕斯卡的压力做出响应。其次，PGSF展现出极低的检测下限（50帕斯卡）和快速的响应/恢复时间（60毫秒/80毫秒）。其欧姆特性在不同压力下均表现出良好的线性关系，证明了其稳定的电阻特性。在50千帕斯卡压力下进行超过8000次循环加载-卸载测试后，传感器电阻未发生明显变化，显示出优异的长期稳定性。在舒适性方面，研究通过真空环境下的透气时间测试和接触角测量，证实PGSF的透气性远超传统基于硅橡胶和PDMS的传感器，吸汗性也因PDA改性而显著优于同类产品。此外，PGSF的电阻在不同湿度（30%–99%相对湿度）和温度（20°C–60°C）环境下均表现出良好的稳定性。
研究的结论部分凝练地概括了成果的价值。本研究成功开发了一种能同时实现高灵敏度和宽检测范围的PDMS梯度刚度泡沫（PGSF）。其科学价值在于，提出并通过实验验证了一种通过构建分级梯度混合结构来调和传感器灵敏度与检测范围这一固有矛盾的有效策略，为高性能压阻式传感器的设计提供了新范式。其应用价值在于，基于PGSF开发的可穿戴传感器在人体运动与健康监测领域展现出巨大潜力。应用演示的结果极具说服力：传感器能精确检测从微小的人体颈动脉脉搏（压力低至200帕斯卡）到足底行走、奔跑、跳跃时产生的高达850千帕斯卡的巨大压力；它能贴附于面部识别微笑和皱眉等表情，贴附于手指关节检测弯曲运动，甚至能通过喉咙部位的振动识别“你好”、“温州大学”等语音；此外，一个5×5的PGSF电子皮肤阵列能清晰绘制出水杯和手指按压的压力分布三维图。最后，透气电极的制备和PDA改性则分别解决了传统器件不透气和疏水的痛点，极大地提升了可穿戴设备的用户舒适度和长期监测的可靠性。
本研究的亮点鲜明。其最大的创新点在于，不同于以往仅通过单一微结构提升灵敏度而牺牲量程的做法，本研究率先提出了基于孔隙率和交联度双重调控的梯度刚度设计理念。这种“软硬结合”的分层结构使得传感器如同人的皮肤一样，既能感知轻触，又能承受重压。在方法学上，巧妙利用PDA仿生涂层“一箭双雕”地解决了疏水PDMS泡沫难以稳定负载碳纳米管的关键工艺难题，并直接赋予了传感器吸汗能力，这一表面改性策略简便而高效。此外，研究者还展示了该方法的可定制性，通过简单调整两层泡沫的比例，即可衍生出高灵敏度型（HSF）和宽检测范围型（WDRF）传感器，以适应不同场景需求，展示了该设计理念强大的通用性和扩展性。