基于明胶离子凝胶的仿生微结构柔性触觉传感器实现高灵敏与宽范围压力感知

柔性压力传感器在电子皮肤和人机交互领域至关重要，但高灵敏度、宽检测范围与可生物降解性的集成仍面临挑战。本研究通过模板转印技术制备具有仿生层级微结构的明胶基离子凝胶（GDS），结合碳纳米管（CNT）传感层与明胶凝胶叉指电极，开发出高灵敏度（6.16 kPa–1）、宽检测范围（173 kPa）的柔性压阻式触觉传感器，为精准健康监测提供新方案。

　　

在人工智能交互、个性化医疗和电子皮肤领域，柔性压力传感器正成为关键技术。然而，现有传感器往往难以同时实现高灵敏度、宽检测范围、快速响应和生物可降解性，这限制了其在长期可穿戴设备和环境友好型电子设备中的应用。特别是传统材料缺乏仿生结构设计，导致应力分布不均和灵敏度不足。为此，研究人员开始探索新型材料和结构设计，以模仿人体皮肤的精密感知机制。正是在这一背景下，发表于《Biomacromolecules》的这项研究通过仿生层级微结构和离子凝胶材料，提出了一种创新的传感器设计方案。

本研究主要采用模板转印技术（template transfer printing）构建仿生微结构，通过喷雾沉积法形成碳纳米管（CNT）/明胶复合传感层，并利用离子凝胶基质（gelatin/deep eutectic solvent/sodium citrate, GDS）制备柔性基底和叉指电极。实验未涉及特定样本队列，但通过力学性能测试、电化学分析和循环稳定性评估验证传感器性能。

仿生层级微结构的设计与制备

通过模板转印技术，研究人员成功复制了人类皮肤棘层结构的互锁形态，在离子凝胶表面形成微米级凸起和叉指微槽。这种结构不仅增强了应力分布的均匀性，还提高了传感器的有效接触面积，为高灵敏度奠定基础。扫描电子显微镜（SEM）成像显示，微结构高度一致且无缺陷，证明该方法的可靠性。

离子凝胶基底的力学与电化学特性

GDS离子凝胶基质展现出优异的柔韧性和可拉伸性，其断裂伸长率超过200%，杨氏模量低于100 kPa。同时，深共熔溶剂（deep eutectic solvent, DES）的引入提供了稳定的离子导电通路，而明胶和柠檬酸钠（sodium citrate）交联网络则确保了生物可降解性。电化学阻抗谱（EIS）测试表明，该基质具有低电阻和高离子迁移率，适用于低频信号传输。

传感性能与稳定性评估

传感器在压力测试中表现出6.16 kPa^–1的高灵敏度，检测范围可达173 kPa，响应时间低于10毫秒，最低检测限为10帕斯卡。循环测试超过8000次后，信号输出仍保持稳定，无明显性能衰减。此外，传感器在潮湿环境和机械变形下均维持可靠性能，证明其适用于真实场景。

实际应用验证

在人体活动监测实验中，传感器成功捕捉到脉搏波动、关节弯曲和微小表情变化；在人机交互测试中，它实现了对触摸位置和力度的精确识别。这些应用凸显了其在健康监测和智能交互中的潜力。

研究结论表明，基于模板转印的仿生微结构设计和GDS离子凝胶基质的结合，有效解决了柔性传感器在灵敏度、检测范围和生物相容性之间的平衡问题。该传感器不仅性能优越，还具备可降解性和低成本特性，为可持续电子设备的发展提供了新方向。讨论部分进一步指出，这种“互锁效应”（interlocking effect）和层级微结构可扩展至其他传感模式，如应变和温度传感，未来有望在医疗诊断和智能机器人领域发挥更大作用。