磁裂变基压感机械传感器：通往极端鲁棒性与超高灵敏度的创新之路

研究人员针对软体机械传感器在可靠性、机械鲁棒性和制造重复性方面的挑战，提出了一种基于磁裂变效应的压感传感器（MC-PIS）。该传感器通过应变调控铁氧体薄膜裂纹的磁通量变化，实现了对双向弯曲（0.01°精度）和极端机械损伤（如汽车碾压）的稳定检测，并成功应用于人工手指音乐识别、软体机器人避障及植树机器人连续作业，为机器人感知领域提供了突破性解决方案。

　　

在机器人感知领域，软体机械传感器长期面临灵敏度与鲁棒性难以兼得的困境。传统压阻式传感器易受疲劳裂纹扩展影响，压容式传感器应变检测范围有限，而离子凝胶传感器响应速度迟缓。这些局限性严重制约了软体机器人在复杂环境中的自主性与可靠性。中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地提出磁裂变基压感传感器（MC-PIS），通过铁氧体薄膜（CFF）裂纹的磁阻效应，实现了从-200°到327°弯曲范围内0.01°精度的超灵敏检测，其性能在汽车碾压或人为破坏后仍保持稳定。

研究团队采用商业铁氧体薄膜预裂技术制备CFF，结合平面电感线圈（液态金属或铜箔）构建传感器。通过磁路理论模拟和实验验证，证实空气间隙变化可梯度调控磁通量。关键技术包括：1）基于滚动预裂法的CFF可控制备；2）双线圈电感测量系统（LDC1614模块）；3）分段恒定曲率模型（PCC）实现16单元柔性带的动态形状重建；4）气动软体执行器集成技术。

应变调制磁阻特性
SEM显示CFF在8%应变下裂纹间隙达49.4μm，磁通量（B/B₀）从0.61（0%应变）降至0.40（3%应变）。二维模拟证实裂纹结构使磁阻（R_m）随应变渐变，与压阻传感器的"开关式"响应形成鲜明对比。

双向弯曲检测性能
传感器在±327°范围内响应呈二次方程规律（L=-2.02×10^-5θ²-9.78×10^-3θ+0.028），灵敏度达14.3nH/°，理论分辨率0.003°。即使CFF被刮除一半，灵敏度仅下降6%，50,000次循环后信号无漂移。温度（27-70°C）和水浸影响可忽略（<0.5%漂移）。

动态形状重建应用
16单元MC-PIS柔性带通过PCC模型实现实时形状追踪。实验显示，玻璃棒推压产生的形变能以0.06s间隔精确重建，误差<1mm（补充视频S5）。

多功能感知演示
气动人工手指可识别Scotch胶带接缝（0.8μm应变灵敏度）和钢琴音符（C1=65Hz）；软体爬行机器人通过前后弯曲模块的ΔL信号实现"装死"和避障策略；植树机器人利用指尖/根部双传感器区分挖土（信号波动>15%）、移石和栽种动作。

该研究开创性地将磁路原理引入柔性电子领域，解决了传统裂纹传感器疲劳失效的核心难题。MC-PIS在极端机械损伤下的稳定性（汽车碾压20次仅3%灵敏度损失）、环境不敏感性（温度/湿度）以及0.8με（0.01°）的超高分辨率，为软体机器人实现真正可靠的触觉-本体感知融合提供了新范式。未来在太空农业、医疗内窥镜等复杂场景中具有重大应用潜力。