这是一篇发表在《Nano Materials Science》期刊上的原创性研究。在此，我为您生成一份关于该研究的详细学术报告。
高性能仿生微结构电子皮肤用于生理信号监测与遥感应用
一、 研究概述与发表信息
本研究由广东工业大学物理与光电工程学院的孙启军（Qijun Sun）课题组主导完成。论文的共同第一作者为Qinteng Lai和Wentao Guo，其他合作者包括Shuzheng Liu、Wenmin Zhong、Dan Zhang、Xingui Tang、Vellaisamy A.L. Roy和Ye Zhou。该研究成果于2025年在线发表在学术期刊《Nano Materials Science》上。研究团队致力于解决当前柔性触觉传感器领域的一个核心难题：如何在超宽的压力范围内同时保持高灵敏度。
二、 学术背景与研究动机
本研究属于柔性电子、电子皮肤（electronic skin, e-skin）与触觉传感领域。柔性触觉传感器作为人机交互接口、健康监测设备和人工智能的核心感知元件，近年来需求日益增长。特别是在腕部脉搏、声音振动、血压及肢体运动等生理信号的实时监测中，传感器需要兼具高灵敏度与宽压力检测范围，以同时感知脉搏等微小的压力（帕斯卡级）和足底压力等巨大的压力（数百千帕级）。然而，这构成了一个重大的科学挑战。现有的压阻式（piezoresistive）传感器虽具有结构简单、信号转换效率高的优点，但其性能存在严重的权衡取舍：基于表面微结构（如金字塔、微柱、半球形）的器件通常只能在小于10千帕（kPa）的低压区间内实现高灵敏度。例如，部分研究虽获得了高达50.45 kPa⁻¹的灵敏度，但有效工作区间仅限0-50帕（Pa）的极窄范围；而当压力增大时，灵敏度会急剧下降。相反，采用高可压缩性材料以拓宽检测范围的方法，如模仿章鱼吸盘的传感器或基于聚氨酯海绵的器件，尽管可将检测范围扩展至500 kPa，其灵敏度却往往低于1 kPa⁻¹。造成这一瓶颈的根本原因在于，高灵敏度依赖于微结构在低压下的连续形变，而这种形变在压力增大至数千帕时会迅速饱和。因此，开发一种能够在宽压力范围内维持高灵敏度和线性响应的电子皮肤传感器，是推动该领域应用的关键。受生物皮肤“表皮-真皮”间梯度互锁结构（gradient interlocking structures）的启发，本研究旨在通过仿生学设计，调和灵敏度与压力检测范围之间的矛盾。
三、 详细研究方法与工作流程
为实现上述目标，研究团队设计了一套包含材料制备、器件组装与性能表征三个核心步骤的完整工作流程。
第一步：仿生多层级石墨-聚二甲基硅氧烷薄膜（mgpf）的制备。研究团队以不同粗糙度的砂纸（#400、#240、#120）为模板，采用一种可规模化的浇筑-热退火工艺，制备了具有仿生微结构的石墨-聚二甲基硅氧烷（graphite-polydimethylsiloxane, graphite-PDMS）复合薄膜。具体流程为：首先，将PDMS预聚物与导电石墨填料以1:1的重量比混合制成导电浆料；然后，将该浆料滴涂在砂纸模板上，并用氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO/PET）柔性基底覆盖；接着，通过辊压工艺使浆料均匀分布；最后，在100摄氏度下退火1小时，并冷却至室温后剥离，即可在ITO/PET基底上获得一面带有仿生微结构的mgpf。通过将顶部的ITO/PET基底替换为另一张目标粗糙度的砂纸，即可制备双面均具有微结构的薄膜。扫描电子显微镜（SEM）图像表征证实，所制备的mgpf精确复制了砂纸模板的表面形貌，形成了不规则的微圆顶结构。
第二步：梯度互锁结构触觉传感器及传感器阵列的组装。本研究共制备了四种不同结构的传感器，以系统探究层数和梯度设计对性能的影响。核心的创新结构是一种三层梯度互锁传感器，其组装方式为：将三片具有不同表面微结构粗糙度的mgpf，按照从顶部到底部粗糙度逐渐增加（#400光滑层、#240过渡层、#120粗糙层）的顺序面对面堆叠，并用ITO/PET作为电极。这种设计模仿了生物皮肤从刚性表皮到柔软真皮的梯度过渡。作为对照，研究还制备了统一使用#120粗糙度的四层、三层和双层堆叠结构的传感器。为确保多层间稳定结合且不影响柔性与中心传感区域的性能，研究仅在每层薄膜边缘施加薄层Ecoflex进行封装。此外，为展示空间压力映射功能，团队制作了一个5×5像素的传感器阵列，其结构是在两个带有铜电极阵列的柔性聚酰亚胺基板之间，夹入一片8毫米×8毫米的mgpf。
第三步：性能表征与应用验证。研究搭建了一套由力学测试台、测力计和半导体参数分析仪组成的自动化测试系统，以精确记录传感器在不同循环压力下的电流变化。灵敏度作为关键指标，通过计算相对电流变化与压力变化的比值（S = δ(ΔI/I₀)/δ(ΔP)）来评估。除基本性能外，研究团队还开发了多个应用场景进行验证，包括：将传感器贴附于手腕以监测脉搏波；连接至示波器以检测声带振动及心音信号；集成于仿生灵巧手的手指关节以感知弯曲运动；贴附于足底以识别行走和跑步状态。在验证遥感应用潜能时，研究将传感器与单片机（microcontroller unit）和蓝牙芯片集成，将压力信号无线传输至手机和虚拟现实（VR）终端进行显示。最后，作为概念验证，研究团队开发了一款集成五个独立传感通道的智能手套，通过识别特定的手势信号，对玩具小车的移动方向进行无线控制，展示了其在人机交互领域的应用前景。
四、 主要实验结果与讨论
系统的实验结果表明，本研究提出的多层梯度互锁结构成功地解决了灵敏度和工作压力范围无法兼得的难题。
首先，在基础性能对比中，四层全部采用#120微结构的传感器，其对压力的响应范围显著优于两层和三层的同类结构；而采用梯度设计（#400/240/120）的传感器，其灵敏度又远超统一微结构的设计。综合两者的协同效应，优化后的四层梯度互锁传感器展现出卓越的性能：在20帕至600千帕的超宽压力范围内，其灵敏度高达58.95 kPa⁻¹，且在该范围内保持了高线性度（决定系数R² > 0.98）。论文中的图3b和3c详细对比了不同结构传感器的响应曲线，并将该性能与以往报道的各类压阻式传感器进行标杆对比，结果显示，本研究的传感器在灵敏度与压力范围的综合表现上实现了重大突破。这一卓越性能源于巧妙的结构设计：当施加微小压力时，最顶层的#400光滑微结构率先发生形变，引起接触面积和导电路径的微增；随着压力增加，#240和#120的微结构逐级参与变形，持续扩大接触面积。这种分级响应的机制，有效延缓了微结构的形变饱和，从而在大压力范围内维持了高灵敏度的线性输出。
其次，传感器在动态响应和稳定性方面表现优异。响应时间和恢复时间分别为0.39秒和0.20秒。在-1.0V至1.0V的扫描电压下，不同压力下的电流-电压（I-V）曲线均表现出良好的欧姆接触和线性关系。更重要的是，该传感器成功实现了对0.02 kPa至80 kPa和100 kPa至600 kPa这两个宽泛区间内循环压力的稳定、可区分的响应，如图3f和3g所示。在6 kPa的压力下进行超过15000次加载/卸载循环测试后，其输出信号未出现显著漂移或波动，如图3h所示，证明了其优异的长期耐用性。
最后，在应用验证层面，传感器的性能得到了多维度证实。它不仅能检测由橡胶球产生的微弱气流，还能清晰记录人体腕部脉搏波形，并能从中提取出典型的P波（冲击波）、T波（潮汐波）和D波（舒张波）特征峰，计算出26岁男性志愿者的主动脉增强指数（AI）为56%，表明其血管状态健康。在声学监测中，传感器能准确识别志愿者说出“Hi”和“Hello”时的振动模式，并区分出正常心跳、早搏、房颤和二尖瓣狭窄的不同心音特征及其频谱图。在人体运动监测中，传感器输出的电流信号幅值能随手指和手腕弯曲角度的增大而稳定增加，并能清晰区分行走和跑步的不同足底压力模式。在5×5传感器阵列的压力映射测试中，该系统能够精确定位并可视化不同重量物体的空间压力分布。通过集成蓝牙模块，由指压和腕部脉搏产生的压力信号可被实时无线传输并在手机和VR终端上显示，验证了其遥感能力。而智能手套通过识别特定手势，成功实现了对玩具小车前进、左转、右转和后退的无线控制，直观地展示了其在复杂环境中的人机交互和智能寻路潜力。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发了一种基于多层石墨-PDMS薄膜和仿生梯度互锁微结构的高性能电子皮肤传感器。该传感器突破了传统压阻式传感器灵敏度和压力检测范围相互制约的瓶颈，在20帕至600千帕的超宽压力范围内，实现了高达58.95 kPa⁻¹的灵敏度。其科学价值在于，提出了一种通过模仿生物组织梯度结构来优化传感器性能的新范式，为设计下一代高性能柔性传感器提供了坚实的理论依据和实验蓝图。在应用价值方面，该电子皮肤集微小生理信号检测、宽量程人体运动追踪、远程无线传输及智能人机交互控制于一体，在健康医疗诊断、运动康复监测、智能假肢、虚拟现实/增强现实交互以及物联网等广泛领域展现出巨大的应用前景。
六、 研究亮点
本研究的主要亮点可总结为以下三点： 1. 创新性的仿生结构设计：首次提出并验证了一种模仿人体皮肤表皮-真皮梯度互锁结构的多层mgpf堆叠策略，通过调控各层粗糙度（#400、#240、#120）构建梯度刚度，是突破性能瓶颈的关键。 2. 极致的综合传感性能：成功实现了在一个器件上同时满足超宽压力检测范围（20 Pa-600 kPa）与超高灵敏度（58.95 kPa⁻¹）这一业界公认的难题，其综合性能指标在已报道的同类工作中处于领先水平。 3. 系统性的应用验证：研究不仅仅停留在器件性能表征，而是构建了从微弱生理信号监测到大压力运动追踪，再到无线遥感和智能手套人机交互的完整应用闭环，有力证明了该技术的实用性和成熟度。