海胆启发的刚柔混合触觉传感器：宽线性范围、快速响应与卓越鲁棒性

《npj Flexible Electronics》：Sea urchin-inspired rigid-soft hybrid tactile sensor with wide linear range, fast response speed, and excellent robustness

本刊编辑推荐：针对传统触觉传感器难以兼顾宽线性范围与快速响应的技术瓶颈，研究人员受海胆齿板运动机制启发，开发了一种刚柔混合的齿板柔性触觉传感器（TPFTS）。该传感器通过仿生弹性体结构调控导电泡沫的应力-应变行为，实现了0-606 kPa范围内的线性检测（R2=0.984）、29/24 ms的快速响应/恢复时间，并在物理损伤条件下保持>95%的信号稳定性。该研究为可穿戴设备、健康监测和人机交互领域提供了高性能传感解决方案。

　　

在智能医疗、人机交互和机器人技术飞速发展的今天，触觉传感器作为连接物理世界与数字系统的关键媒介，其性能直接决定了感知系统的精确性和实时性。然而，传统柔性触觉传感器长期面临一个两难困境：高灵敏度往往以牺牲检测范围为代价，而追求宽线性范围又会导致响应速度下降。更棘手的是，软质弹性材料固有的粘弹性迟滞效应，使得传感器在动态压力下出现信号漂移和响应延迟，严重制约了其在需要快速反馈的实时交互场景中的应用。

面对这一挑战，燕山大学与吉林大学联合研究团队独辟蹊径，将目光投向海洋生物——海胆。海胆通过其独特的齿板-肌肉系统实现精确的螺旋式咀嚼运动，这种自然进化形成的机械结构兼具刚性支撑与柔性变形的优势。受此启发，研究人员在《npj Flexible Electronics》上发表了题为"海胆启发的刚柔混合触觉传感器"的研究成果，提出了一种创新性的齿板柔性触觉传感器（Tooth Plate Flexible Tactile Sensor, TPFTS）。

为突破性能瓶颈，研究团队构建了多学科交叉的技术路线。首先通过有限元仿真优化仿生弹性体的结构参数（θ₁、θ₂等），采用3D打印技术制备模具；接着使用膨胀型泡沫硅橡胶（HY-F662）与碳纳米管（CNTs）浆料复合，通过真空浸渍和热固化工艺形成导电传感层；最后集成TPU封装层和软导线组装成传感器。性能表征采用拉伸试验机（FBS-200N）与LCR测试仪（IM 3570）联用平台，结合SEM和EDS进行材料表征。人体实验均获知情同意，采用医用级透气胶带隔离传感器与皮肤。

仿生结构设计与性能优化

研究团队设计的核心创新在于仿生弹性体结构。该结构模拟海胆齿板的螺旋运动机制，在压缩时引导内部导电泡沫产生可控的螺旋形变。通过参数化建模和有限元仿真，研究人员发现当V型梁的倾斜角度θ₂=45°时，弹性体可实现近零泊松比行为，有效促进CNTs颗粒的快速接触。实验数据显示，优化后的TPFTS在80%应变下承受压力达692 kPa，是纯泡沫传感器（229 kPa）的3.02倍。

传感性能突破

在电学性能方面，TPFTS展现出卓越的综合性能：在0-606 kPa范围内保持线性响应（R²=0.984），灵敏度达0.245 kPa^-1，响应/恢复时间分别为29 ms和24 ms。特别值得注意的是，其滞回比率低于1%，且在20,000次循环测试后仍保持0.24%的稳定性误差。与同类研究相比，该传感器首次实现了宽线性范围与快速响应的协同优化。

卓越的损伤容错能力

研究还发现TPFTS具有前所未有的物理损伤耐受性。通过模拟恶劣工况下的划痕、缺口等损伤形式，当体积损失不超过8%时，传感器信号稳定性仍能保持95%以上。这种强鲁棒性源于仿生弹性体对泡沫变形的约束作用，即使出现L₅级划痕（长度占直径60%），信号偏差也仅为0.001%。

多维力感知应用验证

在应用层面，研究团队构建了完整的验证体系：通过9通道无线监测系统成功采集面部肌肉、关节运动等生理信号；集成电子手套实现手势识别（准确率99.71%）与机械手实时控制；在软体机器人协作中，传感器可同步感知弯曲角度（0-0.18 MPa气压）和抓握力（黄瓜、香蕉等物体区分）；开发的4自由度（4-DOF）和6自由度（6-DOF）力/力矩解耦系统，通过差分信号处理实现多维力的精确解耦，为工业机器人提供高精度力控方案。

该研究通过仿生结构设计成功解决了柔性触觉传感器领域长期存在的性能矛盾。TPFTS不仅具备宽线性范围、快速响应和强鲁棒性三大优势，其模块化设计理念更为性能可编程化提供了新思路。特别是在物理损伤容错方面的突破，极大拓展了传感器在极端环境下的应用潜力。这项技术有望推动柔性电子在智能假肢、远程手术机器人等高端装备领域的发展，为构建更智能、更可靠的人机共融系统奠定基础。