具有表面分层结构和界面微孔的仿生柔性电容传感器的高效制备，用于压力监测

《Polymer》：Efficient fabrication of bioinspired flexible capacitive sensor with surface hierarchical structure and interface micropores for pressure monitoring

仿生柔性电容压力传感器通过微挤出压缩成型与牺牲模板技术制备，表面层级结构和界面微孔模拟海胆刺与球窝关节的协同传感机制。传感器实现0.1 Pa-100 kPa宽量程检测，低压力灵敏度0.059 kPa?1，高压力灵敏度0.002 kPa?1，经7000次循环压缩后仍保持稳定响应（270/230 ms）。该方法突破传统传感器工艺复杂、机械强度低等瓶颈，为可穿戴医疗设备和智能电子提供高效解决方案。

　　柔性电容式压力传感器在可穿戴健康监测、电子皮肤和人机交互等领域具有广泛应用。然而，当前的制造工艺存在复杂性和耗时性，限制了其在大规模生产中的应用潜力。为了突破这一瓶颈，研究人员从自然界中获取灵感，借鉴海胆的机械感知机制，设计并制造了一种具有表面分层结构和界面微孔的仿生柔性电容式传感器。这种新型传感器通过结合微挤出压缩成型与牺牲模板技术，实现了高效的制备，并在性能上表现出优异的灵敏度和稳定性。

海胆的机械感知系统以其独特的结构和功能引起了科学界的广泛关注。海胆的体表覆盖着数百根钙质刺，这些刺通过球窝关节与钙质外壳相连。球窝关节内部嵌有肌肉束和机械感知神经元，能够有效地将外界环境的变化转化为电信号。这种结构使得海胆能够感知海底地形的变化、水流的波动以及捕食者的接近。研究人员将这一自然现象应用于柔性电容式传感器的设计中，构建了一种具有仿生结构的传感器，其核心组件为仿生海胆形多孔电介质层（SUPD）。通过微挤出压缩成型技术（μ-ECM）与牺牲模板法的结合，SUPD不仅实现了对海胆机械感知结构的精确复制，还形成了理想的分层多孔结构，为传感器的高性能提供了基础。

在设计过程中，研究人员特别关注了海胆刺结构与球窝关节之间的协同作用。当外部压力施加时，表面的刺首先发生弯曲，将压力传递至球窝关节，并通过关节与基底的相互作用，进一步将压力传递至多孔基底。这一过程模拟了海胆的应力传递路径，使得传感器能够在较低压力下实现较大的形变，从而提高了其对微小压力变化的敏感度。同时，这种结构设计也赋予了传感器良好的机械强度和循环稳定性，使其能够承受7000次压缩测试，信号响应和恢复时间分别达到270毫秒和230毫秒，保持了良好的稳定性。

与传统的电容式传感器相比，该仿生传感器在多个方面实现了显著优化。首先，其表面的刺状结构和球窝关节设计不仅提升了传感器的灵敏度，还增强了其对复杂环境的适应能力。其次，通过引入多孔基底，传感器在低压力下能够实现较大的形变，从而扩大了检测范围，从0.1帕斯卡到100千帕斯卡。同时，传感器在低压力区域的灵敏度为0.059 kPa?1，而在高压力区域的灵敏度为0.002 kPa?1，表现出良好的线性响应和宽泛的检测能力。这种灵敏度的调节机制，使得传感器能够适应不同的应用场景，如对微弱压力变化的高精度检测，或对较大压力变化的快速响应。

此外，该传感器的制备过程具有显著的优势。传统的电容式传感器通常依赖于复杂的加工步骤，如光刻、蚀刻或沉积技术，这些步骤不仅耗时，还可能引入化学污染。而该仿生传感器采用了一种绿色、高效的制造方法，即通过微挤出压缩成型技术与牺牲模板法相结合，实现了快速且可控的结构制备。这种方法不仅简化了制造流程，还避免了有害化学物质的使用，为大规模生产提供了环保且经济的解决方案。

在材料选择方面，研究人员采用了高性能的柔性材料，如聚苯乙烯-乙烯-丁烯-聚苯乙烯（SEBS）作为基底材料，具有良好的柔韧性和机械性能。同时，引入了具有高介电常数的填料，如钡钛酸（BaTiO?），以增强传感器的电容响应能力。此外，通过精确控制微孔结构，传感器能够在低压力下实现显著的介电常数变化，从而提高其对微小压力变化的检测能力。这种材料与结构的结合，使得传感器在保持高机械强度的同时，还具备良好的灵敏度和稳定性。

该仿生传感器的性能优势不仅体现在其灵敏度和稳定性上，还在于其应用的广泛性。由于其结构设计能够适应复杂的曲面和动态环境，因此在可穿戴医疗设备、智能服装、机器人触觉感知等领域具有巨大的应用潜力。例如，在可穿戴健康监测设备中，该传感器可以用于检测皮肤表面的压力变化，从而实现对心率、呼吸频率等生理信号的精准捕捉。在电子皮肤领域，它能够模拟人类皮肤的触觉功能，为机器人提供更接近人类的感知能力。而在人机交互系统中，该传感器可以用于手势识别、触控反馈等场景，提升用户体验。

为了进一步验证该传感器的性能，研究人员进行了多组实验，包括对不同压力范围的测试、对长期循环压缩的稳定性测试以及对不同环境条件下的适应性测试。实验结果表明，该传感器在广泛的检测范围内表现出稳定的电容响应，能够准确地反映外部压力的变化。同时，在7000次循环压缩测试中，传感器的信号保持稳定，未出现明显的迟滞或漂移现象，这为其在实际应用中的可靠性提供了保障。此外，该传感器在潮湿、高温等环境下仍能保持良好的性能，表明其具有较强的环境适应能力。

在实际应用中，该仿生传感器的优势还体现在其可扩展性和可定制性上。由于其制造过程基于微挤出压缩成型技术，因此可以快速生产出大量传感器，并且可以根据具体需求调整其结构参数，如刺状结构的密度、球窝关节的尺寸以及多孔基底的孔隙率等。这种灵活性使得该传感器能够适用于不同的应用场景，如医疗监测、智能服装、工业检测等。同时，其结构设计也便于集成到现有设备中，为柔性电子技术的发展提供了新的思路。

该研究不仅为柔性电容式压力传感器的优化提供了新的方向，也为仿生材料的设计与应用开辟了新的途径。通过模仿自然界的结构和功能，研究人员成功地将海胆的机械感知机制转化为一种高效的传感器结构，从而克服了传统传感器在灵敏度、机械强度和制造工艺方面的局限性。这种跨学科的研究方法，将生物学与材料科学、电子工程相结合，为未来的智能传感系统提供了创新的解决方案。

展望未来，该仿生传感器的进一步发展可能涉及多个方向。首先，可以通过优化材料配比和结构设计，进一步提升其灵敏度和稳定性，以满足更复杂的应用需求。其次，可以探索其与其他传感器技术的集成，如温度传感器、湿度传感器等，从而构建多功能的智能传感系统。此外，还可以研究其在不同环境下的适应性，如极端温度、高湿度或高压力条件下的性能表现，以拓展其应用范围。最后，随着制造技术的不断进步，该传感器有望实现更低的成本和更高的生产效率，为柔性电子技术的大规模应用奠定基础。

总之，该仿生柔性电容式压力传感器的成功研发，不仅展示了自然界在材料科学和工程设计中的巨大潜力，也为未来智能传感系统的发展提供了新的思路和方法。通过借鉴生物结构的智慧，研究人员成功地解决了传统传感器在性能和制造方面的瓶颈，为可穿戴设备、电子皮肤和人机交互等领域的应用提供了高性价比的解决方案。这种跨学科的研究方法，将推动柔性电子技术向更高效、更智能、更环保的方向发展。