本项研究的主要作者包括 Bin He（何彬）、Yanmin Zhou（周艳敏，通讯作者）、Zhipeng Wang（王志鹏）、Qigang Wang（王启刚）、Runjie Shen（沈润杰）和 Shangqing Wu（吴尚庆）。他们分别来自同济大学电子与信息工程学院（中国上海市曹安公路4800号，邮编201804）和同济大学化学科学与工程学院（中国上海市四平路1239号，邮编200092）。这项研究成果发表于学术期刊《Sensors and Actuators A: Physical》（传感器与执行器A：物理卷）第272卷（2018年），第341-348页。文章于2017年12月1日收到初稿，2018年1月16日收到修订稿，2018年1月18日被接受，并于2018年2月8日正式在线发表。论文的标题为“Multi-layered touch-pressure sensing ionogel material suitable for sensing integrated actuations of soft robots”（适用于软体机器人传感集成致动的多层触摸-压力传感离子凝胶材料）。

本研究的学术领域属于软体机器人（Soft Robots）和智能材料（Intelligent Materials），具体涉及柔性传感器与执行器一体化技术。研究背景在于，软体机器人因其柔顺性和身体适应性而被广泛研究，被视为能克服传统刚性机器人运动模式有限、环境适应性差以及人机交互不安全等缺点的未来方向。然而，软体机器人要实现其全部应用潜力，关键在于开发能够同时集成传感器和执行器的可控软体材料。软体机器人具有理论上无限的自由度，但执行器数量有限，其形变与驱动之间存在强耦合，这使得感知环境（如触觉和压力）对于实现避障、地形适应等高级功能至关重要。在众多柔性传感技术中，基于平行电容器（Parallel Capacitor）原理的传感方式因其对温度敏感度低、稳定性高、动态特性好等优点而成为研究焦点。然而，现有的研究往往分别关注触觉定位或压力传感，缺乏能同时实现这两种功能的材料。基于此，本研究团队在先前开发的类电容器离子凝胶软执行器（Capacitor-like Ionogel-based Soft Actuator）基础上，观察到该材料电容随负载变化的响应，暗示了其压力传感潜力。因此，本研究的目标是：首先，系统地验证并研究这种离子凝胶材料的压力传感能力，特别是凝胶厚度对传感性能的影响；其次，构建一种能够同时实现触摸定位和压力测量的新型多层材料；最后，通过构建一个小型分布式传感系统原型，验证该材料在软体机器人传感集成应用中的可行性和性能。

详细的工作流程可分为以下几个主要步骤。首先，是压力传感材料的制备与电化学模型建立。研究使用的压力传感材料由五层结构组成：中间是电解凝胶层，两侧是活性炭电极层，电极层外侧再覆盖薄铝箔。电解凝胶由离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF4）、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）在光引发剂DEAP和紫外光照射下聚合而成，形成多孔固体结构，其杨氏模量约为1.384 kPa。电极则由活性炭、炭黑、聚四氟乙烯（PTFE）溶液、水和乙醇混合搅拌后，反复碾压成0.5毫米厚的层状物，再经120°C烘烤12小时制成。材料被建模为一个平行电容器，其电容变化是传感的基础。研究者使用循环伏安法（Cyclic Voltammetry）通过电化学工作站（Chi-660d型）来表征材料的电荷存储容量，这是评估其传感性能的重要参数。电容在任意电位窗口（V1∼V2）内的平均值可通过积分计算得出，比容量则可通过活性物质质量计算。实验在25°C下进行，扫描速度从2.5 mV/s到50 mV/s不等，以观察电化学行为。其次，是传感机制的阐述与测量系统搭建。传感机制基于平行电容器公式C = Sε0εr/d。当垂直压力施加于电容器时，会减小电极间距离d，从而引起电容变化。理论推导表明，在形变量远小于初始距离（|Δd/d0| << 1）的条件下，电容的相对变化（ΔC/C0）与距离的相对变化（Δd/d0）近似呈线性关系，因此压力可通过测量电容变化来反映。为了精确测量电容，研究团队自主搭建了一套基于555定时器振荡电路的测量系统。该系统利用555定时器的不稳定态工作模式，使其输出方波的频率与待测电容值相关。通过微控制器单元（MCU）的计数器和外部中断功能来测量该方波的频率，进而计算出电容值。该系统被设计为能够测量1.3×10⁻⁹ F到8.5×10⁻⁵ F范围内的电容，满足了实验需求。测量系统还包括与PC的串口通信，用于数据传输。第三，是压力传感性能的系统测试。研究者制备了尺寸为45mm × 16mm × 0.8mm的压力传感材料样本。通过将不同重量的砝码通过薄玻璃片均匀压在材料上，模拟不同压力，并记录其电容响应。数据经过滤波后取均值进行分析。此外，为了探究凝胶厚度对传感特性的影响，研究者专门制备了表面面积相同（25mm × 14mm）但凝胶厚度分别为0.5mm、0.8mm和1.5mm的三种材料，并测试了它们对压力的电容响应。第四，是构建多层触压传感材料及分布式传感系统。为了实现触摸定位，研究参照了Kim等人（2016年《科学》杂志）的方法，制备了一个单层凝胶触摸定位层。然后，将自研的压力传感材料作为底层，中间用一层VHB胶带（3M公司）作为机械粘合和电学隔离，顶层放置触摸定位层，共同构成一个多层触压传感材料。为了验证其构建分布式系统的潜力，研究者用尺寸为25mm × 14mm × 8mm的传感单元，构建了“iii”形和“X”形两种微型分布式传感系统原型。最后，是对“X”形系统进行性能测试。测试时，在系统设计的四个触摸点上施加手指触摸，同时记录触摸定位层（通过测量各分支电压比例）和压力传感层（通过测量各单元电容变化）的响应，以评估其触觉定位和压力测量的综合性能。

研究取得了一系列明确的结果。在电化学性能方面，循环伏安测试表明，在2.5 mV/s的扫描速度下，1cm²材料的扫描曲线接近理想的矩形，表明材料具有良好的电荷存储容量。根据曲线积分面积等参数计算，材料的比电容约为8.9×10⁻⁸ F，这为后续的电容测量提供了足够的电荷灵敏度基础。在压力传感能力方面，对于0.8mm厚的凝胶材料，其电容输出与压力之间呈现出良好的线性关系，拟合方程为 y = 0.094*x + 7.384（R² = 0.960）。该材料的压力响应范围为48.2 Pa至457 Pa。超过457 Pa（约70克重量）后，材料失去响应。在凝胶厚度影响的研究中，结果显示三种不同厚度（0.5mm， 0.8mm， 1.5mm）的材料均表现出良好的压力传感线性度，拟合线具有强相关性（p值<0.001），表明尽管厚度不同，材料的灵敏度相似。然而，它们的响应上限和初始电容有所不同：0.5mm厚材料在超过196 Pa（约30克）后失去响应；0.8mm厚材料上限约为457 Pa；而1.5mm厚材料在测试的653 Pa（约100克）压力下仍未达到极限。初始电容方面，0.5mm和0.8mm厚材料的初始电容相近，但与1.5mm厚材料差异较大。研究者结合凝胶的多孔弹性模型（图7）对结果进行了解释：在小压力下，多孔结构的薄壁发生线性弹性形变；压力增大后，结构进一步变形、塌陷并致密化，导致响应达到极限。0.5mm厚材料因内部结构数量较少，可变形距离有限，故而响应上限更低。初始电容的差异则归因于凝胶厚度增加导致可用自由离子增多，提升了电容，同时薄凝胶脱模难度大带来的厚度误差也是原因之一。重要的是，尽管离子凝胶的相对介电常数会随压力变化，实验中仍获得了线性关系，这与之前Wei课题组在低压范围内的研究结果一致。在分布式传感系统测试中，结果非常成功。对于“X”形系统，当手指按压四个不同的触摸点时，触摸定位层各分支的电压比例呈现出不同的响应模式，从而可以精确定位触摸点位置。与此同时，下层的压力传感材料各单元也对触摸压力产生了清晰的电容响应，从40 nF到140 nF不等，根据公式5换算，对应的压力约为347 Pa至1411 Pa。测试中未观察到各传感单元之间存在明显的信号干扰。这证明了两层结构能够同时、独立且无干扰地完成触摸定位和压力测量任务。

本研究的结论是，成功提出并验证了一种适用于软体机器人传感集成致动的多层触摸-压力传感离子凝胶材料。具体而言：1）研究首先证实了基于离子凝胶的平行电容器结构具有压力传感能力，并且其电容与压力之间在相当大的凝胶厚度范围内（0.5-1.5mm）均呈现线性关系，这为将其作为可靠的压力传感单元奠定了基础。2）通过创新性地将触摸定位凝胶层与压力传感层通过VHB胶带结合，构建了一种新型多层材料，解决了单一材料难以同时实现高精度定位和压力量化的问题。3）基于该材料构建的微型分布式传感系统（如“X”形阵列）演示了其良好的触压感知性能，证明了该设计能够支持大规模分布式传感系统，并减少物理刺激之间的相互干扰。这项研究的科学价值在于，它为解决软体机器人“感知-驱动”一体化中的关键材料问题提供了一种新颖的思路和可行的方案。它展示了一种通过材料层次化设计来实现多功能集成的方法，而不仅仅是增加独立传感单元的数量。在应用价值方面，这种材料轻薄、柔韧、可弯曲，易于贴在人体皮肤或软体机器人表面，潜在应用包括作为人工皮肤、软体输入设备、医疗康复监测（如心率、皮肤伸缩）以及需要精细力控和避障的软体机器人。它有望简化软体机器人控制系统的布线复杂度和算法设计，为实现基于单一物理刺激（如触摸避障或力控制）的快速控制算法提供硬件基础。

本研究的亮点在于：1）功能集成创新：成功地将触摸定位和压力传感两种功能集成于一种多层材料中，而当时的大多数研究还集中在单一功能上。2）材料继承与深化：工作建立在团队前期开发的离子凝胶软执行器研究基础上，发现了其新的传感属性，并进行了系统性的机理研究和性能优化，体现了研究的延续性和深度。3）机理研究与实验验证并重：不仅展示了实验现象（线性压力响应），还结合多孔弹性模型和电化学理论对结果进行了深入解释（如厚度影响、初始电容差异、线性关系成因），增加了研究的科学性。4）自制测量系统与原型验证：自主搭建了基于555定时器和MCU的电容测量系统，并构建了微型分布式传感系统原型进行功能验证，从材料制备到系统集成展现了完整的研究链条。5）明确的面向应用导向：所有研究设计和讨论都紧密围绕“服务于软体机器人传感集成”这一核心目标，指出了材料的应用潜力和后续研究方向（如与执行器集成、控制算法开发）。

其他有价值的内容包括：文章指出了该传感器相较于一些已报道的柔性传感器（如参考文献[21，23，26]）更厚，并分析了厚度来源（铝箔、活性炭层、两层凝胶），同时提出了可能的减薄方案（如用银纳米线或液态金属替代铝箔，减少触摸定位层凝胶厚度），体现了对实际应用挑战的客观认识。最后，文章也坦承了离子凝胶压力传感性能受多种复杂因素（凝胶成分、尺寸、粘度）影响，其内在机制尚不完全清楚，并指出未来需要对其静态和动态特性进行详细研究，以进一步促进软体机器人的传感与控制。这为后续研究指明了方向。