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  隨著柔性可穿戴電子產品的快速發展，人們對壓阻傳感器的性能要求越來越高。盡管在提高壓阻傳感器的靈敏度、傳感范圍和耐久性等方面取得了巨大進步，但大多數壓阻傳感器不能夠同時響應多種機械刺激（如法向壓力、面內應變或彎曲），從而導致其無法識別機械刺激的類型。此外，由于大多數壓阻傳感器的導電網絡的各向同性，其也無法識別機械刺激的方向，這嚴重限制了壓阻傳感器在智能機器人和復雜人體運動監測中的應用。迄今為止，開發和設計能夠準確識別和測量多種機械刺激類型、大小和方向的多維壓阻傳感器仍然是一個巨大的挑戰。

  近日，陜西科技大學馬建中教授、鮑艷教授、張文博副教授團隊受來自人體體感系統中的皮膚和肌肉的結構和生理功能的啟發，通過將兩個壓力不敏感的各向異性應變子傳感器以正交堆疊的形式分別集成在應變不敏感的壓力子傳感器的頂部和底部，開發和設計了一種能夠識別和測量面內應變、法向壓力和剪切力的類型、方向和大小的集成多維傳感器，并進一步探索了其在機械手和體育訓練指導中的應用潛力。

  該工作以“Bioinspired Integrated Multidimensional Sensor for Adaptive Grasping by Robotic Hands and Physical Movement Guidance”為題發表在《Advanced Functional Material》上（DOI：10.1002/adfm.202313787）。

文章要點

要點一：結合同軸靜電紡絲和預拉伸工藝構建了基于定向分段結構電紡膜的各向異性應變子傳感器

圖2 AMSPP應變子傳感器的傳感性能和機理

  AMSPP應變子傳感器只響應沿x方向的面內應變，并在0-80%的應變范圍內具有863.7的最大靈敏度。AMSPP應變子傳感器的各向異性感應特性可歸因于定向結構所導致的不同應變方向下的不同導電網絡變形機制。當其受到的應變沿纖維軸向時，纖維上的MXene形成裂紋并逐步擴展，從而產生電響應；而當其受到的應變沿纖維徑向時，僅僅是纖維間產生滑移，從而幾乎沒有電響應。AMSPP應變子傳感器高的靈敏度和寬的傳感范圍可歸因于分段結構所導致的表面應變重分布。具體地說，AMSPP上的低模量PU表面有助于在拉伸過程中形成應變集中，從而通過MXene裂紋的快速形成和擴展來提高其靈敏度，而高模量PI表面的低應變分布則通過減緩MXene裂紋的形成和擴展來拓寬其傳感范圍。

要點二：結合水熱法和雙軸預拉伸工藝制備了具有ZnO納米線陣列的全向高度梯度褶皺電紡膜基應變不敏感壓力子傳感器

圖4 ZOGW壓力子傳感器的傳感性能和機理

  ZOGW壓力子傳感器在0-220 kPa的壓力范圍內具有187.71 kPa^-1的最大靈敏度，并在0-120%的應變范圍內表現出96%的應變不敏感特性。ZOGW壓力子傳感器的高靈敏度可歸因于微弱壓力下ZnO納米線陣列間形成的互鎖以導致的上、下層ZOGW間接觸面積的急劇變化。ZOGW壓力子傳感器的寬傳感范圍可歸因于持續壓力施加下高度梯度褶皺電紡膜的最高層褶皺到最低層皺褶的逐級激活所導致的上、下層ZOGW間接觸面積的持續變化。ZOGW壓力傳感器的應變不敏感特性可歸因于面內應變作用下ZOGW的微觀形態幾乎保持不變，這將導致ZOGW的膜電阻和上、下層ZOGW間的接觸電阻保持不變。

要點三：多維傳感器的構建

  受益于三個子傳感器的各向異性傳感特性，多維傳感器的一個典型特性是能夠識別面內應變、法向壓力和剪切力。此外，多維傳感器能夠測量面內應變的大小和方向，并具有10.74的優異應變方向選擇性。最重要的是，多維傳感器能夠通過建立的電響應庫來篩選剪切力的大小和方向。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313787