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  柔性觸覺傳感器廣泛應(yīng)用于仿人機(jī)器人、可穿戴醫(yī)療和智能人機(jī)界面等新興技術(shù)領(lǐng)域，對器件的穩(wěn)定性與感知性能提出了更高要求，尤其是在復(fù)雜機(jī)械條件（如高剪切、高壓力）下，這類多層結(jié)構(gòu)的傳感器容易發(fā)生界面分層或失效，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。器件層間界面粘接可以解決器件力學(xué)穩(wěn)定性問題，然而，現(xiàn)有界面粘接方法往往以犧牲傳感性能為代價。同時實(shí)現(xiàn)多層傳感器的高韌界面粘接并保持優(yōu)異傳感性能，仍面臨顯著挑戰(zhàn)，南方科技大學(xué)郭傳飛教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用超支化聚氨酯（HPU）構(gòu)建微柱粘接界面，通過將微柱直徑控制在材料的缺陷敏感尺度以下，有效抑制結(jié)構(gòu)缺陷，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5095 J m^-2的界面韌性。同時，該團(tuán)隊(duì)將HPU微柱粘接界面結(jié)構(gòu)用作傳感器的間隔層（spacer），微柱在加載過程中可彈性屈曲，提高響應(yīng)速度，同時降低器件整體剛度，顯著增強(qiáng)了傳感器的靈敏度與最低檢測限，最終實(shí)現(xiàn)柔性多層傳感器在極端工況下的界面穩(wěn)定性與傳感性能協(xié)同提升，為下一代柔性電子器件提供了新的設(shè)計策略。

  研究團(tuán)隊(duì)首先通過材料設(shè)計，合成了具有優(yōu)異力學(xué)性能的HPU彈性體。這種材料因其分子結(jié)構(gòu)中特有的氫鍵作用，表現(xiàn)出高強(qiáng)度（約44 MPa）和高延伸性（約1000%）。研究發(fā)現(xiàn)，HPU的缺陷敏感尺度約為77 μm，當(dāng)微結(jié)構(gòu)尺寸小于這一閾值時，材料表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)——即隨著微柱直徑的減小，其韌性顯著提升。研究人員采用3D打印與模板復(fù)制技術(shù)制備了一系列直徑從50 μm至800 μm、高度200 μm的HPU微柱陣列，并通過溶劑溶脹粘接構(gòu)建了不同直徑的HPU微柱粘接界面。

圖1. 基于高韌性HPU的微柱界面構(gòu)建與尺寸效應(yīng)解析

  界面剝離和拉伸測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微柱直徑小于材料的缺陷敏感尺度時，微柱內(nèi)部幾乎不含能夠誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展的臨界缺陷，因此能承受更大的拉伸變形，有效提升界面韌性。具體而言，當(dāng)微柱直徑為50 μm時，界面韌性達(dá)到了5095 J m^-2，比傳統(tǒng)粘接的界面增韌提升了一個數(shù)量級以上。

圖2. 微柱結(jié)構(gòu)界面的粘接性能

  此外，這些微柱結(jié)構(gòu)不僅提升了界面穩(wěn)定性，還被集成至柔性離電傳感器中，作為關(guān)鍵spacer使用。在器件構(gòu)型上，微柱垂直排列于上下電極之間，并分布在傳感區(qū)域的四周，與離子凝膠層共同構(gòu)成傳感單元，確保不同功能層之間的機(jī)械連接與結(jié)構(gòu)完整性。

圖3. 微柱spacer離電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面性能

  這些微柱結(jié)構(gòu)不僅提升了界面穩(wěn)定性，還作為傳感器的spacer發(fā)揮了關(guān)鍵作用。由于微柱在受壓時能夠彈性屈曲，有效緩解了壓縮引起的材料硬化現(xiàn)象，使得傳感器能夠在大范圍壓力內(nèi)保持較高的靈敏度（0–450 kPa內(nèi)為73 kPa^-1，450–2500 kPa內(nèi)為52.8 kPa^-1），避免了傳統(tǒng)spacer容易出現(xiàn)的信號飽和問題。同時，微柱結(jié)構(gòu)在加載與卸載過程中表現(xiàn)出類似彈簧的響應(yīng)行為，有限元分析結(jié)果表明，微柱結(jié)構(gòu)能夠有效儲存和釋放應(yīng)變能，顯著降低了加載-卸載過程中的界面能量損耗，從而大幅提升了器件的響應(yīng)與恢復(fù)速度，使其能夠響應(yīng)高達(dá)7000 Hz的動態(tài)機(jī)械刺激。

圖4. 傳感器的傳感性能

  強(qiáng)韌的微柱界面在反復(fù)摩擦下仍能保持穩(wěn)定連接。器件在施加750 kPa壓力和165 kPa剪切應(yīng)力的條件下，經(jīng)2萬次循環(huán)摩擦后，輸出信號依然穩(wěn)定無明顯漂移，器件內(nèi)部各功能層保持完好未出現(xiàn)剝離或錯位，體現(xiàn)出極高的界面疲勞抗性和長期可靠性。

  在實(shí)際應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該傳感器陣列集成到機(jī)器人夾爪上，并成功實(shí)現(xiàn)了對重達(dá)2.0 kg的啞鈴的穩(wěn)定抓取。在抓取過程中，傳感器準(zhǔn)確識別了不同重量下的抓力變化，并在長達(dá)1000次的上下快速移動過程中保持了出色的穩(wěn)定性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)PDMS封裝傳感器的性能，體現(xiàn)了顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。

圖5. 傳感陣列在機(jī)器手抓取重物中的應(yīng)用

  本研究揭示了基于超支化聚氨酯微柱的尺寸效應(yīng)增韌機(jī)制，并成功將其應(yīng)用于柔性傳感器中，實(shí)現(xiàn)了界面粘接強(qiáng)度與傳感性能的協(xié)同提升。得益于其優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性與快速、高靈敏的響應(yīng)能力，該器件在機(jī)器人抓取重物等極端工況下表現(xiàn)出出色的可靠性與實(shí)用性。該結(jié)構(gòu)設(shè)計策略為柔性電子器件中兼顧力學(xué)穩(wěn)固性與功能響應(yīng)性的器件構(gòu)建提供了新思路，有望在智能機(jī)器人、醫(yī)療健康、人機(jī)交互等領(lǐng)域發(fā)揮一定的作用。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102221