今日Matter：可拉伸但不受拉伸影响的复合响应压力传感器

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过去的研究中，科学家们探索了压阻、压容、压电、光学、离子及磁性等不同压力传感器的传感机制。其中，电容式压力传感器因其高灵敏度、宽广的工作范围和良好的线性度等优势而受到关注。然而，面对同时出现的拉伸和压力，这类传感器的压力信号准确性仍是一大难题。在受到拉伸时，电容式传感器由于电介质的泊松效应，电极面积增大和间隙减小，导致电容值升高，此时若有面外压力导致电容值变化，面外压力的大小将难以通过电容值而准确测定。此现象称为压力信号的被拉伸干扰。尽管通过应变隔离或电容补偿等方法，能够一定程度上校正电容值和相应的压力读数，本征可拉伸且在拉伸状态下精确测量压力的电容式压力传感器目前尚未实现。

为解决拉伸对压力传感器压力读数的干扰，UT-Austin鲁南姝教授及其团队开发了一种具有高灵敏度、本征可拉伸的柔性复合响应压力传感器（Stretchable Hybrid Response Pressure Sensors, or SHRPS）。此传感器可被拉伸至70%，在0-10 kPa的工作范围内灵敏度为1.25 kPa^-1，在无面内拉伸和单轴面内拉伸（10%，20%，30%，40%）五种情况下，该传感器的压力读数表现出良好的一致性，从而有效解决了拉伸对压力读数的干扰问题。此外，研究团队还将此传感器贴合在可充气的柔性探头上，并实现了不同的应用场景。例如传感器在柔性探头充气状态（传感器处于双轴平面拉伸41%应变）的情况下仍可以精确检测到脉搏波形，以及传感器在柔性探头未充气状态（传感器处于双轴平面未拉伸状态）则可以稳定的完成抓取。

此研究成果不仅为电子皮肤、软机器人及生物集成电子产品等领域提供了一种具有潜力的解决方案，也展示了SHRPS在形状可调和刚度可控的智能充气探头表面执行多种任务的能力。

图1. A）SHRPS结构示意图；B）导电多孔纳米复合材料(PNC)扫描电镜图；C）三种不同类型的电容式传感器的电场与电势分布图：（i）介电层材料经过设计的电容式压力传感器；（ii）SHRPS；（iii）采用电极材料经过设计的电容式压力传感器；在未变形（中）、被压缩（左）和被拉伸（右）状态下，电场（流线）和电势（彩色轮廓）的分布情况。D）3x3 SHRPS阵列的形变示意图：从左至右分别对应了SHRPS阵列在无负载及不同机械应力（拉伸、弯曲、扭转）状态下的形态变化。

研究团队首先展示了SHRPS的结构细节，如图1A所示，其中喷涂在聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面的碳纳米管（CNT）层复合材料用作电极，另外一层PDMS薄层充当电容式传感器的绝缘层，而导电多孔纳米复合材料（PNC）则用作介电层材料。PNC的扫描电子显微镜（SEM）表征结果展示在图1B。图1C阐述了三种不同类型的电容式传感器在面内拉伸和面外压缩状态下的工作原理；其中SHRPS在面内拉伸时的工作原理与传统电容式传感器相似，而在面外压缩时, PNC电阻的变化让SHRPS表现出复合响应特性。这一独特的复合响应能力极大地增强了SHRPS对压力变化的灵敏度，同时有效减少了拉伸引起的电容信号干扰。

图2. 三种不同类型电容式压力传感器的压力与拉伸响应分析; A) 固体ecolfex；B) 多孔ecolfex；C) SHRPS；（i） 原理图；（ii） 单独施加压力（蓝色）与单独施加拉伸（红色）的电容响应比较；（iii） 同时施加压力和拉伸时的电容响应。

为了深入展示SHRPS的独特特性，研究人员对比分析了三种不同类型电容式压力传感器在压力和拉伸状态下的响应表现。

对于固体ecoflex式电容压力传感器：

在40%单轴拉伸下的电容信号的变化（ΔCs）是50kPa压力引起的电容信号变化（ΔCp）的500%（见图2A(ii)）。这种情况下，当传感器同时经历不同程度的面内拉伸和面外压缩时，其压力电容曲线呈分散分布，导致在相同电容信号下压力读数出现不准确性（见图2A(iii)）。

对于多孔ecoflex式电容压力传感器：

同样40%的单轴拉伸引起的电容信号变化（ΔCs）仅为50kPa压力引起的电容信号变化（ΔCp）的12%（见图2B(ii)）。在这种情况下，在不同的面内拉伸应变下，传感器的压力电容曲线开始出现重合，使得同一电容信号下的压力读数变得更加准确（见图2B(iii)）。

对于SHRPS：

在40%单轴拉伸的情况下，电容信号的变化（ΔCs）仅占50kPa压力引起的电容信号变化（ΔCp）的1.8%（见图2C(ii)）。而且，SHRPS在受到面内拉伸应变时（0-40%），其压力电容曲线几乎完全重合，从而确保了在相同电容信号下传感器压力读数的高度准确性（见图2C(iii)）。

图3. A)中不同CNT掺杂比下PNC的压力电阻变化曲线；B)不同CNT掺杂比下SHRPS的压力响应（△C/C₀变化曲线）；C) 含0.4 wt% CNT的PNC在单轴和双轴拉伸下的电阻变化；D)含0.4 wt% CNT的SHRPS在单轴和双轴拉伸应变下的△C/C₀变化；E) SHRPS与现有电容式传感器在压力灵敏度（0 - 10 kPa 范围）及可拉伸性的Ashby图比较；F) SHRPS的压力检测下限；G) SHRPS的响应和恢复时间；H) SHRPS 在（i） 0 - 10 kPa 压力，（ii）0 - 40% 单轴拉伸应变，(iii) 在40% 恒定单轴拉伸应变下的重复加载 0 - 10 kPa 压力，以及 (iv) 从平坦状态下弯曲到半径为 7.2 毫米的重复性和耐久性测试。

随后，研究团队调整了PNC中CNT的掺杂比例，深入研究了不同比例对SHRPS性能的具体影响。如图3A和3B所示，实验结果表明，CNT的最佳掺杂比为0.4%。图3C进一步展示了在这一掺杂比下，PNC材料在单轴及双轴拉伸状态下的电阻变化曲线。图3D展示了这一掺杂比的SHRPS在单轴拉伸和双轴拉伸的△C/C0变化。

图3E对比了SHRPS与其他现有电容式传感器在压力灵敏度（0 - 10 kPa范围）及可拉伸性方面的性能，显示SHRPS具有较高的压力灵敏度和优越的可拉伸性。此外， 图3F&3G分别详细呈现了SHRPS的压力检测下限和响应回复时间。图3H呈现SHRPS在以下载荷的重复性和耐久性测试结果：

（i） 0 - 10 kPa 压力，

（ii）0 - 40% 单轴拉伸应变，

(iii)在40% 恒定单轴拉伸应变下的重复加载 0 - 10 kPa 压力，以及 (iv) 从平坦状态下弯曲到半径为 7.2 毫米的状态。

图4. SHRPS的理论建模分析；A) PNC各组分的电容电阻示意图; B) SHRPS的等效电路图;C) 在不同的CNT掺杂比例下，SHRPS的压缩应变与电容变化预测；D) 在不同的CNT掺杂比例下，SHRPS的压缩应变与△C/C₀的变化预测；E) 不同CNT掺杂的SHRPS理论与实验结果比较。

为了定量评估这种传感机制，研究团队进行了详细的建模和分析。他们首先确定了PNC各组成成分的电容和电阻（见图4A），然后构建了SHRPS的简化等效电路模型，并与实际电路进行了对比（见图4B-C）。从图4D-E的电容变化结果中可以看出，简化的等效电路模型在一定程度上与实验结果相吻合，从而证实了该模型的有效性。

图5：柔性充气探头与3x3 SHRPS阵列组成的智能探头压力传感器；A) 3x3 SHRPS阵列及充气探头组件示意图；B) 探头的未充气状态与充气状态示意图；C) SHRPS在双轴拉伸应变下的有限元模拟；D) 人体动脉测量示意图及手腕横截面图；E) 脉搏检测过程示意图；F) 脉搏诊断中的9个SHRPS单元电容信号变化：① 在充气过程中的电容变化（6秒）；② 接触手腕后的电容变化（第17秒）；G) 脉搏波原始数据；H) 经1-4 Hz带通滤波后的脉搏数据；I) 抓取玻璃杯的操作示意图：展示了在未充气和充气状态下，在同样外力下使用智能探头压力传感器抓握玻璃杯的过程。J) 抓取玉米饼皮的操作示意图：在同样外力下展示了在未充气和充气状态下，使用智能探头压力传感器抓握玉米饼皮的过程。

最后，研究团队设计了两项实验，展示了SHRPS在高灵敏度和高可拉伸性方面的优势，以及其在软体机器人和生物传感器等领域的应用潜力。研究人员将3x3 SHRPS阵列与柔性充气探头组装成一个智能探头压力传感器（见图5A）。该探头具有未充气和充气两种工作状态（见图5B），在充气状态下，中心单元的SHRPS处于41%的双轴平面拉伸应变。得益于SHRPS对拉伸干扰信号的高度不敏感性，无论是在充气还是放气状态下，该探头都能精确感知压力信号。

为了展示柔性探头在不同状态下的应用效果，研究人员进行了如下的操作展示。如图5D所示，在人手腕的桡动脉附近，存在复杂的组织结构，如若想检测桡动脉的脉搏信号，探头需要精确的点接触来探测脉搏信号。使用充气模式的柔性探头可以实现这一点（见图5E）。图5F表明，SHRPS在平面拉伸过程中的电容信号变化很小，在面外压缩过程中检测脉搏波时，电容信号的变化显著增大。此外，图5G显示SHRPS能够清晰地检测到脉搏信号，无需任何滤波器实现规律脉搏波的检测。经过带通滤波过滤呼吸信号的脉搏信号如图5H所示。图5I和图5J主要展示了未充气模式的优势，在相同的力作用下，未充气模式提供了更大的接触面积和更均匀的压力分布，这使得它更适合执行抓取等任务。

Supplementary Video 2 展示了SHRPS在探头充气引起的拉伸过程中只产生了微弱响应，但在接触手腕后对接触压力产生了强烈响应。哪怕在有预压力的情况下，SHRPS仍然足够灵敏从而可以提取脉搏波动。

Supplementary Video 4 展示了在抓握圆形水杯任务中，充气探头与水杯形成“点”接触而非充气探头形成“面”接触，从而抓握更加可靠。

论文第一作者是德州大学奥斯汀分校机械工程系博士生Kyoung-Ho Ha，现在Northwestern University从事博士后研究；之后依次为德州大学奥斯汀分校工程力学系博士生李征杰；博士生Sangjun Kim和Heeyong Huh；王哲梁博士，毕业于Johns Hopkins University ，目前在鲁南姝教授组从事博后研究；施宏阳博士，毕业于Michigan State University University ，目前在鲁南姝教授组从事博后研究；本科生Chase Block; 博士生Sarnab Bhattacharya；德州大学奥斯汀分校航空航天工程与工程力学系鲁南姝教授为论文唯一通讯作者。本通讯稿由李征杰和施宏阳共同撰稿。

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