厦门大学萨本栋微米纳米科学技能研讨院周伟教授团队与香港理工大学机械工程学系姚海民教授团队协作在柔...。
厦门大学萨本栋微米纳米科学技能研讨院周伟教授团队与香港理工大学机械工程学系姚海民教授团队协作在柔性传感器研讨范畴取得打破性展开。他们提出并验证了一种称之为“力-电非线性协同”的压力传感器规划新战略，并以此打破了传统压力传感器“高活络度和宽线性量程不行兼得”的窘境。相关研讨成果以“Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing”为题，于2023年10月20日在线宣布在世界尖端归纳期刊Nature Communications上（DOI : 10.1038/s41-9）。
柔性压力传感器是智能机器人和可穿戴设备不行或缺的中心功用部件之一。在曩昔的二十年里，研讨人员已开宣布各种高活络度或宽线性量程的柔性压力传感器。要完成机器人的灵巧性，如抓取分量不知道或柔嫩易碎的物体，需求活络度较高和线性量程宽的压力传感器。但是，关于现有大多数柔性压力传感器而言，高活络度和宽线性量程就像“鱼和熊掌”相同，不行兼得。这极大地阻止了智能机器人的展开。因而，亟需展开传感器规划新战略研讨，打破“鱼和熊掌”不行兼得的传感器功能窘境，研发高活络度和宽线性量程兼备的柔性压力传感器。
该研讨工作针对现在柔性压力传感器无法兼备高活络度（大于10 kPa-1）和宽线 MPa）的问题，提出了一种全新的传感器规划战略和制作工艺，所制作的柔性压力传感器一起具有了高活络度（24.6 kPa-1）和超宽线 MPa）的功能，其线性影响因子（活络度×量程）远高于现在报导的其他大部分压阻式柔性压力传感器。
树立传感器的“应力-应变”和“电流改变率-应变”联系的力电耦合模型，研讨压力活络层的非线性电学功能及力学调节器的非线性力学功能对传感器线性度的协同调控机理，提出了柔性压力传感器的非线性协同规划新战略（如图1所示）。
依据活络度提高及线性量程拓展的需求，规划了双面金字塔多孔导电微结构（Double-sided pyramidal carbon foam，DPyCF）和力学调节器（Stiffness regulator，SR）别离作为压力活络层和压力缓冲层，层叠封装构成传感器全体结构，被界说为DPyCF@SR，其结构如图2a所示。根据三维动态聚集激光加工技能，完成对传感器压力活络层和力学调节器的高精度、高效制作。一起，选用高温热解工艺，使金字塔多孔结构取得导电性，并一步缩小了微金字塔结构的尺度（体积缩小约90%），如图2b所示。
图2 (a) DPyCF@SR柔性压力传感器结构示意图；(b) DPyCF@SR柔性压力传感器制作工艺流程
试验测验了所研发的高活络度-宽线性量程柔性压力传感器的活络度（图3a）、样品一致性、循环稳定性（图3b）、最小检测极限压力和呼应时刻等功能指标，并展开了高载荷预压下的细小压力分辩（图3c-e）、机器人智能抓取（图4）、生理信号检测和暗码-压力两层加密（人机交互，图5）使用研讨。
图3 (a) DPyCF@SR传感器功能标定成果；(b) DPyCF@SR传感器5万次循环加载测验成果；(c-e) 车辆预压下的高活络压力分辩：1.5吨重轿车载分量改变监测
图5（a）暗码-压力两层加密锁体系示意图；（b）根据 Unity3D 的暗码-压力两层加密锁用户界面；（c-d）一次不成功的测验和一次成功的解锁测验
该研讨工从柔性压力传感器的结构规划制作、活络机制、功能测验及使用方面展开了体系研讨，并在高载荷预压下的细小压力分辩、机器人智能抓取等方面取得了杰出的实践使用作用。论文提出了一种全新的“力-电”耦合非线性协同规划战略，打破了高活络度和宽线性量程不行兼得的窘境，为柔性压力传感器的规划供给了新方法和新思路，并且对其他同类高功能柔性压力传感器的规划制作具有极端严重辅导和学习含义。
该研讨工作得到了国家天然科学基金杰出青年科学基金项目（52325507）、国家天然科学基金区域立异展开联合基金要点支撑项目（U21A20136）、国家天然科学优秀青年科学基金项目（51922092）、国家天然科学基金青年科学基金项目（52205606）和厦门市严重科学技能方案（3502Z20231009）项目的赞助和支撑。
该论文以厦门大学为榜首单位，榜首作者是厦门大学萨本栋微米纳米科学技能研讨院的博士研讨生陈锐，厦门大学周伟教授和香港理工大学姚海民教授为一起通讯作者。一起，该研讨工作还得到了厦门大学罗涛、谢瑜、秦利锋、张金惠等教师的辅导和协助，参加本研讨工作的有厦门大学硕士研讨生王锦成、王任鹏和张晨。
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