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導讀
近日，廈門大學薩本棟微米奈米科學技術研究院周偉教授團隊與香港理工大學機械工程學系姚海民教授團隊合作，在柔性傳感器研究領域取得突破性進展。他們提出並驗證了一種稱之為「力-電非線性協同」的壓力傳感器設計新策略，並以此突破了傳統壓力傳感器「高靈敏度和寬線性量程不可兼得」的困境。相關研究成果以「Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing」為題，於2023年10月20日線上發表在國際頂級綜合期刊Nature Communications上（DOI : 10.1038/s41467-023-42361-9）。
研究背景
柔性壓力傳感器是智慧機器人和可穿戴設備不可或缺的核心功能部件之一。在過去的二十年裡，研究人員已開發出各種高靈敏度或寬線性量程的柔性壓力傳感器。要實現機器人的靈巧性，如抓取重量未知或嬌嫩易碎的物體，需要靈敏度高和線性量程寬的壓力傳感器。然而，對於現有大多數柔性壓力傳感器而言，高靈敏度和寬線性量程就像「魚和熊掌」一樣，不可兼得。這極大地阻礙了智慧機器人的發展。因此，亟需開展傳感器設計新策略研究，突破「魚和熊掌」不可兼得的傳感器性能困境，研製高靈敏度和寬線性量程兼備的柔性壓力傳感器。
研究亮點
該研究工作針對目前柔性壓力傳感器無法兼備高靈敏度（大於10 kPa-1）和寬線性量程（大於1 MPa）的問題，提出了一種全新的傳感器設計策略和製造工藝，所製造的柔性壓力傳感器同時具備了高靈敏度（24.6 kPa-1）和超寬線性量程（1.4 MPa）的性能，其線性影響因子（靈敏度×量程）遠高於目前報道的其他大部分壓阻式柔性壓力傳感器。
（1）非線性協同設計新策略
建立傳感器的「應力-應變」和「電流變化率-應變」關係的力電耦合模型，研究壓力敏感層的非線性電學性能及力學調節器的非線性力學性能對傳感器線性度的協同調控機理，提出了柔性壓力傳感器的非線性協同設計新策略（如圖1所示）。
圖1 非線性協同設計新策略示意圖
（2）傳感器結構與製造工藝
根據靈敏度提升及線性量程拓寬的需求，設計了雙面金字塔多孔導電微結構（Double-sided pyramidal carbon foam，DPyCF）和力學調節器（Stiffness regulator，SR）分別作為壓力敏感層和壓力緩衝層，層疊封裝形成傳感器整體結構，被定義為DPyCF@SR，其結構如圖2a所示。基於三維動態聚焦鐳射加工技術，實現對傳感器壓力敏感層和力學調節器的高精度、高效製造。同時，採用高溫熱解工藝，使金字塔多孔結構獲得導電性，進一步縮小了微金字塔結構的尺寸（體積縮小約90%），如圖2b所示。
圖2 (a) DPyCF@SR柔性壓力傳感器結構示意圖；(b) DPyCF@SR柔性壓力傳感器製造工藝流程
（3）性能及應用集成
實驗測試了所研製的高靈敏度-寬線性量程柔性壓力傳感器的靈敏度（圖3a）、樣品一致性、循環穩定性（圖3b）、最小檢測極限壓力和響應時間等性能指標，並開展了高載荷預壓下的微小壓力分辨（圖3c-e）、機器人智慧抓取（圖4）、生理信號檢測和密碼-壓力雙重加密（人機互動，圖5）應用研究。
圖3 (a) DPyCF@SR傳感器性能標定結果；(b) DPyCF@SR傳感器5萬次循環載入測試結果；(c-e) 車輛預壓下的高靈敏壓力分辨：1.5噸重轎車載重量變化監測
圖4 (a) 配有DPyCF@SR傳感器機器人抓40 g豆腐塊；(b) 配有Tekscan商用傳感器機器人抓40 g豆腐塊；(c) 配有DPyCF@SR傳感器機器人抓900 g鐵塊；(d) 配有Tekscan商用傳感器機器人抓900 g鐵塊
圖5（a）密碼-壓力雙重加密鎖系統示意圖；（b）基於 Unity3D 的密碼-壓力雙重加密鎖使用者界面；（c-d）一次不成功的嘗試和一次成功的解鎖嘗試
該研究從柔性壓力傳感器的結構設計製造、敏感機制、性能測試及應用方面展開了系統研究，並在高載荷預壓下的微小壓力分辨、機器人智慧抓取等方面取得了良好的實際應用效果。論文提出了一種全新的「力-電」耦合非線性協同設計策略，突破了高靈敏度和寬線性量程不可兼得的困境，為柔性壓力傳感器的設計提供了新方法和新思路，而且對其他同類高性能柔性壓力傳感器的設計製造具有重要指導和借鑑意義。
總結與展望
該研究工作得到了國家自然科學基金傑出青年科學基金項目（52325507）、國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點支持項目（U21A20136）、國家自然科學優秀青年科學基金項目（51922092）、國家自然科學基金青年科學基金項目（52205606）和廈門市重大科技計劃（3502Z20231009）項目的資助和支持。
該論文以廈門大學為第一單位，第一作者是廈門大學薩本棟微米奈米科學技術研究院的博士研究生陳銳，廈門大學周偉教授和香港理工大學姚海民教授為共同通訊作者。同時，該研究工作還得到了廈門大學羅濤、謝瑜、秦利鋒、張金惠等老師的指導和幫助，參與本研究工作的有廈門大學碩士研究生王錦成、王任鵬和張晨。
https://www.nature.com/articles/s41467-023-42361-9