【儀表網 研發快訊】柔性傳感器突破了傳統剛性器件在硬質襯底上集成的限制，將功能材料構筑于柔性或可拉伸基底之上，實現了器件的輕質共形與多維感知，為智能機器人觸覺皮膚、空天裝備健康監測、穿戴式醫療設備等領域提供了重要的感知基礎。然而，柔性傳感技術雖在靈敏度、響應速度等單項性能上取得顯著突破，但其核心測量能力—線性度仍是制約其工程化應用的關鍵瓶頸。線性不足不僅增加了系統標定與數據解耦的復雜度，更直接影響到信號的物理可比性與測量可追溯性，成為柔性傳感器從“定性感知”邁向“定量測量”的核心科學挑戰。針對這一難題，重慶研究院微納制造與系統集成研究中心研究團隊提出基于皮膚啟發的雙機制離電傳感新機理與多尺度結構調控策略，發展出高線性寬量程離電柔性壓力傳感器的可控制備方法體系，取得系列進展。
皮膚啟發的雙機制設計，實現寬量程高線性柔性傳感器。針對柔性傳感器高靈敏度與高線性度難以兼得的長期瓶頸，團隊受到人類皮膚層狀纖維網絡與離子信號調控機制的啟發，提出織物微結構接觸面積演化(∝P¹?³)+離子濃度自適應調制(∝P²?³)的雙機制協同模型。該機制通過耦合幾何接觸與電化學調制兩種不同的非線性效應，使整體輸出關系趨近理想線性(C∝P)，從根本上突破了傳統“結構響應非線性”限制。基于這一機理，團隊制備出新型離電式柔性壓力傳感器，在0–1 MPa的寬工作區間內實現了線性度R²=0.997、靈敏度242 kPa?¹的性能，線性靈敏度因子(LSF)高達242,000。隨后，團隊將該傳感器集成于智能鞋墊平臺，建立了步態-脛骨載荷的實時映射模型，在行走與跑步測試中實現了載荷評估誤差僅1.8%的高精度監測，相比傳統非線性傳感方案顯著提升，驗證了高線性傳感器在醫療級運動監測中的精確測量潛力。相關成果以“Skin-Inspired Ultra-Linear Flexible Iontronic Pressure Sensors for Wearable Musculoskeletal Monitoring”為題發表在《Nano-Micro Letters》。
納米纖維-離子凝膠復合結構，拓展線性區間與信號可控性。受人類皮膚“表皮剛性—真皮黏彈性—皮下柔順性”梯度模量結構的啟發，團隊基于靜電紡絲構筑了高模量納米纖維網絡嵌入低模量離子凝膠矩陣的異質復合結構。該結構使載荷在多層路徑中被逐級調控，實現了應力的協同分散與離子遷移的受限調節。器件在1 MPa的寬壓強區間內實現了近乎完美的線性(R²=0.999)與81.3 kPa?¹ 的高靈敏度，線性靈敏度因子達到81,300，在離子型柔性傳感器中處于領先水平。相關成果以“Ultra-Linear Flexible Pressure Sensors via Skin-Inspired Gradient Engineering”為題發表在《Composites Part B: Engineering》。
梯度模量結構實現柔性傳感器穩定性提升。團隊提出了梯度模量低漂移離電柔性傳感器的新思路：通過在離子凝膠體系中引入玻纖增強層與分層交聯結構，實現了從上至下“軟-中-硬”的連續模量梯度分布，使傳感界面的應力集中得到有效釋放。該結構在高壓加載下仍能保持穩定的電-力響應關系，使柔性傳感器在多循環測試中展現出優異的信號一致性與環境穩定性。相關成果以“Bioinspired Gradient-Modulus Iontronic Sensors with Drift-Suppressed Stability for Biomechanical Monitoring”為題發表在《ACS sensors》。
助理研究員李佩、客座培養博士研究生茍欣、博士研究生張勇為上述論文的第一作者，重慶研究院微納制造與系統集成研究中心楊俊研究員為上述論文的通訊作者，相關研究得到了國家自然科學基金等項目的支持。
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