综述：柔性触觉传感器的最新进展：从微结构设计到智能传感应用

《Materials Today Physics》：Recent progress on flexible tactile sensors: From microstructural design to intelligent sensing applications

（编辑推荐）本综述系统梳理了微结构柔性触觉传感器（Microstructured Tactile Sensors）在健康监测与智能运动领域的前沿进展，重点解析了压阻式（Piezoresistive）、电容式（Capacitive）、压电式（Piezoelectric）和摩擦电式（Triboelectric）传感器的性能指标（灵敏度/线性度/响应时间），并探讨了微图案化、多孔网络和仿生结构等设计策略对提升传感器性能的关键作用，为可穿戴电子皮肤的开发提供创新思路。

　　

Abstract

近年来，可穿戴触觉传感技术通过微结构设计实现了突破性进展。基于压阻式、电容式、压电式和摩擦电式（Piezoresistive/Capacitive/Piezoelectric/Triboelectric）等 transduction 机制的传感器，在灵敏度（>10⁵ kPa^-1）、响应时间（<10 ms）和检测范围（0.1 Pa-100 kPa）等关键指标上持续优化。微图案化表面（如金字塔/微穹顶阵列）通过增加接触面积提升灵敏度，而仿昆虫刚毛的仿生结构则显著增强动态信号捕捉能力。

Key performance indicators

传感器性能评估体系包含五大核心参数：灵敏度（Sensitivity）反映单位压力下的信号变化率，与微结构引发的局部应力集中直接相关；线性度（Linearity）决定信号输出的可预测性，多孔梯度结构可扩展线性范围至300%应变；响应/恢复时间（Response/Recovery time）依赖导电网络重构速度，激光雕刻的微通道可将响应压缩至5 ms；耐久性（Durability）通过10⁵次循环测试验证，石墨烯/PDMS复合结构展现优异机械稳定性。

Regularly patterned microstructures

规则微结构阵列通过可控形变实现性能调控：

• 金字塔阵列：单晶硅模板复制的PDMS微锥使电容式传感器灵敏度提升40倍

• 微柱间隔层：直径50 μm的SU-8微柱阵列将压阻传感器检测下限推至0.1 Pa

• 多级结构：100 μm/20 μm双尺度凸起协同扩展检测范围至1 MPa

Biomimetic structures

自然启发的设计展现独特优势：

• 仿玫瑰花瓣：层级皱纹结构使摩擦电传感器电荷密度达210 μC/m²

• 仿蜘蛛裂隙：定向裂纹金薄膜实现500%应变下的电阻稳定

• 仿指纹：螺旋沟槽设计提升滑动摩擦信号信噪比3个数量级

Applications

在健康监测领域，嵌入仿生微结构的电子纹身可实时监测桡动脉脉搏波（PWV），其0.2 Pa的检测限满足高血压早期诊断需求；智能运动袜集成的多孔碳纳米管阵列能精准识别足底压力分布，误差<5%。

Challenges and prospective

当前瓶颈在于微结构-材料-工艺的协同优化：3D打印的仿生血管网络虽实现90%透氧率，但50 μm以下特征尺寸的批量制备仍具挑战；自供电传感器能量转换效率（<15%）亟待提升。未来或将通过机器学习辅助微结构拓扑优化，推动触觉传感器向"感知-决策"一体化方向发展。