主要作者与发表信息
本研究由深圳大学机电与控制工程学院、射频异质异构集成全国重点实验室的张希教授（xi zhang）团队主导，第一作者为马骏驰（junchi ma），合作者包括济南大学物理科学与技术学院的温博（bo wen）、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室的徐凯臣（kaichen xu）研究员等。该研究成果于2025年3月27日在线发表于材料科学领域顶级期刊《先进功能材料》（advanced functional materials），论文标题为“ultra-broad-range pressure sensing enabled by synchronous-compression mechanism based on microvilli-microstructures sensor”。
研究背景与目标
柔性压力传感器作为柔性电子的核心组件，在人机交互、可穿戴健康监测和物理信号检测等领域应用广泛。人体生理压力范围跨度极大，从约100帕斯卡（pa）到接近1000千帕斯卡（kpa）。例如，监测膝关节半月板术后状态时，传感器既要承受高达数百千帕斯卡的体重载荷，又需分辨因步态微小变化产生的仅数千帕斯卡的压力波动。然而，现有柔性压力传感器多依赖单一压缩机制（如仅利用微结构尖端接触面积变化或仅提升传感层可压缩性），这会导致结构快速硬化（structural stiffening）和响应饱和，难以兼顾高灵敏度与超宽工作范围。为此，该研究旨在开发一种基于同步压缩机制（synchronous-compression mechanism）的新型传感器，以同时实现超高灵敏度、超宽压力检测范围和高压力分辨率。
研究流程与方法详解
1. 传感器设计与仿生原理
研究团队受小肠绒毛（small intestinal villi）结构与功能启发，设计了一种具有微绒毛-微结构（microvilli-microstructures， mvms）的传感层。制备流程如下：首先，利用微电子打印机将聚二甲基硅氧烷-多壁碳纳米管（pdms-mwcnts）复合材料印刷于碳布（carbon cloth）基底上。研究人员系统测试了不同mwcnts质量分数（1-9 wt.%）复合材料的导电性和粘度，最终选定5 wt.%的配比，该比例在导电性（约10⁴ μs cm⁻¹）、流动性和可印刷性之间取得平衡。随后，在已印刷的碳布上覆盖第二片碳布并施加压力（1.25 kpa）进行压印（imprinting），加热固化后剥离上层碳布，即可在pdms-mwcnts基底表面留下密集的导电纤维，即微绒毛，同时基底本身形成粗糙的微结构，其高度约为200微米（μm）。被剥离的碳布可重复用作电极，实现了原材料的高效利用。最后，将一个2厘米×2厘米的传感层与上下碳布电极、以及一个由ecoflex橡胶制成、厚度为3.1毫米的间隔层（spacer）进行三明治结构组装，间隔层在上、下传感层之间保持了500微米的初始间隙，最终传感器整体尺寸为2.5厘米×2.5厘米×3.5毫米。
2. 同步压缩机制的理论模型
传感器的工作过程依据压力大小分为三个阶段，并建立了等效电路模型，总电阻rtotal由上下传感层电阻和微绒毛间接触电阻r2mv构成。在低压阶段（50 pa–14.3 kpa），压力仅驱动上下层的微绒毛直接接触，增加了电子转移路径，根据holm理论，接触电阻随接触点数量n和压力p增加而快速下降，此为第一重机制。在中压阶段（14.3–200 kpa），微结构开始相互接触，接触面积的增加主导了电阻变化，根据persson接触理论，归一化接触面积与压力成正比，电阻随之持续降低；同时微绒毛接触电阻仍发挥作用，此乃第二重与第一重机制协同。在高压阶段（200–782.5 kpa），传感器发生整体压缩（overall compression），导致传感层厚度减小，mwcnts间距缩短，形成更多导电通路，此为第三重机制；而此时前两重机制依然贡献于电阻变化，从而有效推迟了因结构硬化导致的响应饱和。三个阶段的电流-电压（i-v）曲线均呈现高度线性的欧姆特性，验证了等效电路模型的有效性。通过有限元模拟和不同压印压力、不同层间距的对照实验，进一步证实了微绒毛密度和接触状态对传感器性能的决定性影响，强有力地支持了所提出的同步压缩机制。
3. 性能表征与应用验证系统搭建
为评估传感器性能，研究人员利用计算机控制的压力试验机、源表（keithley 2400）和示波器等设备，测试了灵敏度、迟滞、响应时间、循环稳定性等核心指标。为展示实际应用潜力，他们开发了一套无线检测系统，该系统包含一个采用标准qi协议实现无线充电的柔性印刷电路板（fpcb），通过低功耗蓝牙（ble）将数据传输至上位机。上位机软件和微信小程序被同步开发以拓展应用场景。此外，为进行触觉传感演示，他们制造了一个由9个独立mvms传感器组成的传感器阵列，并创新性地引入了kirigami（剪纸）结构fpcb和独立引线方案，通过有限元仿真证明该设计能显著降低阵列变形串扰。
主要实验结果与讨论
1. 卓越的传感性能
mvms传感器展现出极佳的综合性能。在灵敏度（sensitivity）方面，低压区（<14.25 kpa）高达58.88 kpa⁻¹，中压区（14.25-200 kpa）为2.93 kpa⁻¹，高压区（200-782.5 kpa）为0.53 kpa⁻¹。相比之下，无mvms结构的传感器在对应区间的灵敏度仅为5.57 kpa⁻¹、0.45 kpa⁻¹和0.07 kpa⁻¹。这一显著优势归功于同步压缩机制推迟了结构硬化。在工作范围（working range）上，传感器实现了从50 pa到782.5 kpa的超宽检测，远超多数已报道的同类传感器（通常上限在200-600 kpa），其性能对比图清晰表明了该研究在灵敏度和工作范围上的双重领先。在压力分辨率（pressure resolution）上，传感器在高至750 kpa的基础上，仍能对约5 kpa的脉动压力变化做出稳定响应，其分辨率高达0.66%，而商用传感器在该高压下已饱和失效。在动态响应上，传感器响应时间和恢复时间分别快至9毫秒和13毫秒，这得益于表面微绒毛和微结构对粘弹性效应的抑制。在稳定性上，传感器在250 kpa压力下历经10000次循环压缩，信号漂移几乎可忽略不计，显示了卓越的机械鲁棒性。
2. 全范围生理信号检测验证
凭借超宽工作范围，该传感器成功检测了涵盖从低频微弱压力到高频高压力的多种人体生理信号。在低压域，传感器能清晰区分“ad fm”四个单词发音产生的声压波形，并能精准捕捉桡动脉脉搏波中的叩击波（p波）、潮波（t波）和重搏波（d波）三个特征波形。在中高压域，传感器可重复检测屈膝运动，并在鞋底安装测试中，准确记录了垂直和水平方向移动引起的对称性电流变化信号。在最关键的高压域半月板模拟测试中，研究人员设计了一套模拟装置，通过循环气流驱动气泡变形产生约5 kpa的脉动压力，并叠加上模拟人体重量的静态高压。结果表明，mvms传感器在280 kpa、500 kpa甚至750 kpa的静态高压下，均能灵敏地检测出叠加的微弱脉动压力，证明了其在实时监测术后半月板组织负载状态方面的巨大潜力。
3. 人机交互与触觉传感系统级应用
无线检测系统成功实现了颈动脉脉搏波的连续监测，其小波变换（wavelet transform）分析显示信号频率稳定在约1.3赫兹，对应心率为78次/分钟。在跑步监测中，传感器能区分3、6、9公里/小时不同速率下的跑步信号，频率随速率增加。在一次1.38公里的户外跑测试中，信号表现出极高的稳定性，小波变换显示运动频率始终集中于约1赫兹，证实了系统在复杂环境下的可靠性。在人机交互方面，定义了电压信号与控制灵巧手手指弯曲动作的对应逻辑，成功通过按压mvms传感器实现了对灵巧手“释放-抓取-释放”六角扳手动作的精确远程操控。在触觉传感应用中，集成了9个传感器的阵列被安装于机械臂末端执行器上，当执行器抓取圆柱体、十字形、倒十字形和半圆柱体等不同形状的三维打印物体时，传感器阵列清晰地将不同压力分布以可视化形式呈现出来。
研究结论、价值与亮点
本研究成功开发了一种基于同步压缩机制的mvms柔性压力传感器，通过仿生设计集成了微绒毛、微结构接触和整体压缩三种电阻调制机制，从根本上解决了单一压缩机制导致的结构硬化与响应饱和难题。该传感器集高灵敏度（58.88 kpa⁻¹）、超宽工作范围（50 pa-782.5 kpa）、高压力分辨率（750 kpa下0.66%）和快速响应（9毫秒）于一身，并展示了优异的长期循环稳定性和弯曲可靠性。
研究亮点（highlights）可归纳如下： 1. 机制创新性：首次提出并实验验证了“微绒毛诱导电子转移、微结构接触面积增加、mwcnts间距减小”三者协同的同步压缩机制，为高性能柔性传感器设计提供了通用新策略。 2. 性能突破性：在保持高灵敏度的同时，将压力检测上限提升至近800 kpa，并能在极高压下保持对微小压力变化的敏锐分辨，这一综合性能在已报道文献中居于领先地位。 3. 应用验证系统性：研究覆盖了从核心性能测试、全范围生理信号检测、无线集成系统到复杂人机交互和物体形状触觉识别的完整应用链条，充分证明了其在实际应用中的多功能性和鲁棒性。 4. 工艺实用性：采用碳布压印法，制备过程简便且碳布可重复利用为电极，体现了绿色制造和应用转化的潜力。
该研究的科学价值在于深化了对柔性压阻传感器中多结构协同工作机制的理解，其应用价值则体现在为下一代智能假肢、术后康复实时监测系统和精细触觉反馈机器人提供了核心传感解决方案。