可實現高性能觸覺感應有交叉梯度結構的仿生柔性壓阻傳感器
通過擴展和集成單個傳感器，實現了對多觸覺信息的高精度感知和有效的人機交互。柔性電子技術的進步正在推動從傳統的剛性傳感器架構向具有生物相容性、皮膚適應性和多功能集成的系統過渡，克服了表皮兼容性和曲面適應性的局限性。與適應性有限的傳統剛性傳感器相比，柔性傳感器的發展顯著擴大了傳感技術的潛在應用。憑借其卓越的靈活性和適應性，柔性傳感器可以模仿甚至超越人類皮膚的觸覺傳感功能，緊密適應各種不規則表面，以提供更精確的傳感能力。這些獨特的特性使柔性傳感器能夠在可穿戴設備、醫療監測、機器人皮膚和其他領域顯示出廣泛的潛在應用。
觸覺感知是一個關鍵的感知模塊，用于實現人類和機器人與環境之間的精確交互。近年來，研究人員一直在積極探索新材料、觸覺敏感微結構和響應機制，以解決柔性觸覺傳感器在性能和應用方面面臨的挑戰。目前，已經開發了幾種類型的柔性觸覺傳感器，包括壓阻式、電容式、壓電式、摩擦電式、磁性和光學響應機制。其中，壓阻式觸覺傳感器因其穩定性高、結構簡單、易于集成而得到了廣泛的研究。盡管取得了重大進展，但在實現柔性觸覺設備的高效感知和響應穩定性方面仍存在關鍵挑戰。例如，當前的觸覺傳感器通常難以同時實現高靈敏度、寬檢測范圍和低檢測限。最佳檢測模式應在低壓區域結合高靈敏度和低檢測限，同時在高壓區域保持穩定的信號輸出特性和寬動態范圍，這將顯著擴大其在不同場景中的應用潛力。此外，在器件制造過程中，導電材料和柔性基板之間的弱界面結合在循環負載下極易發生接觸失效，導致信號漂移或導電網絡斷裂，嚴重損害信號輸出和長期穩定性。
特別是，感測層中微結構形狀和分布的設計是提高觸覺傳感器檢測范圍和靈敏度的關鍵因素。目前，微觀結構設計包括傳統的幾何形狀（例如，金字塔、柱狀、多孔結構等），還涉及仿生自然表面特征結構（例如，模仿甲蟲、珍珠層、玫瑰花瓣、荷葉、蟬翼和貓舌。這些微結構通常使用3D打印、犧牲/仿生模板方法、光刻和靜電紡絲等技術進行設計。由于其卓越的精度和形狀適應性，3D打印技術能夠精確制造具有復雜幾何形狀的微結構。因此，它已成為微結構制造中最常用和最有效的技術之一。然而，常用的壓敏彈性體材料，如PDMS和Ecoflex，由于其模量特性，通常會導致脫模缺陷、微觀結構損壞和壓縮回彈滯后等問題，從而引發界面粘附效應。此外，多步成型工藝可能會導致微觀結構形態的累積變形，從而導致靈敏度降低、基線漂移，甚至器件的功能失效。除了微觀結構優化，引入高性能電極材料也是提高傳感器性能的有效策略。例如，碳基納米材料、金屬納米材料、MXene和導電聚合物因其優異的導電性、機械性能和柔韌性而被廣泛用于制備柔性傳感器。這些材料可以有效地與柔性基板（如PDMS、PET、PI等）集成，以確保有效的電路傳導和穩定性。特別是，MXene表現出優異的導電性和可調的表面特性，使高性能和柔性器件之間能夠完美兼容。MXene基導電油墨與微電路印刷技術的集成實現了室溫下高精度和高效率的電路制造，增強了傳感器的可擴展性和一致性。
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