《Sensors and Actuators A: Physical》：Beads-on-String Trilayer Piezoresistive Sensor for Throat Vibration and Gesture Recognition
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原位电纺制备的珠状纤维消除了图案转移现象。
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该三层传感器在0–0.522 kPa范围内
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原位电纺制备的珠状纤维消除了图案转移现象。
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该三层传感器在0–0.522 kPa范围内具有5.029 kPa?1的灵敏度。
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该传感器能够识别喉咙振动和五通道的手势信号。
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手势模式可以实现小型移动平台的控制。
引言
可穿戴的人机界面将身体运动转化为命令，用于通信和设备控制。在实际应用中，这些界面必须在手被占用、注意力受限或环境噪音影响语音传播的情况下仍能正常工作。底层传感器需要适应不同的身体表面，既能感知细微的喉咙振动，也能识别较大的手指变形，并通过简单的读出电路传递稳定的电信号，但在一个设备中同时满足这些要求仍然具有挑战性。专为低压力放大优化的架构往往需要复杂的微制造工艺，而设计用于大变形的传感器可能会失去低负载下的灵敏度，或依赖特定于身体部位的材料和接口。因此，需要一种统一的结构策略来结合接触放大、机械支撑和可恢复的变形功能。
柔性电子皮肤、人工机械感受器和离子电子接口已经建立了多种机制，将接触和变形转化为机器可读的信号[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。对于可穿戴界面来说，压阻传感器仍然很有吸引力，因为压力可以直接编码为两端电阻的变化。它们的低压力响应通常通过金字塔、纳米柱、微圆顶或互锁结构来放大，以增加压缩下的实际接触面积[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。尽管这些架构有效，但通常依赖于主模具和多步骤工艺，包括光刻、蚀刻、阳极氧化、复制、对准和脱模。系统级集成则采用不同的策略：主动矩阵和集成皮肤的平台使用晶体管、纳米线电路、表皮互连、微流控或无线模块来提高空间分辨率和功能性[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，但额外的电路和封装并不会简化压力敏感界面的制造过程。材料层面的方法则修改了转换介质：离子电子接口、混合电介质和离子凝胶提供了宽范围的响应[24]、[25]、[26]、[27]，而石墨烯复合材料、碳纳米管薄膜和金纳米线网络通过导电渗透调节机电转换[28]、[29]、[30]、[31]。这些研究表明，灵敏度、系统集成和材料功能可以通过不同的途径实现，但可适配的双端传感器仍然需要一种能够放大轻微接触信号且不会导致规则图案转移或机械不稳定压缩的接口。电纺技术在这方面很有吸引力，因为它可以连续生成柔软的多孔膜，且无需模具转移过程即可贴合弯曲的表面。然而，传统的均匀纤维膜具有有限的表面高度变化和较大的初始接触面积，限制了在轻负载下导电路径的相对增加；如果同一膜还要承载负载，反复压缩可能会使多孔网络压缩并改变基线。这些限制促使研究开发出具有更大平面外拓扑结构和独立支撑层的电纺接口，将接触放大与负载承载分开。
为了将结构性能转化为功能性的输入接口，多通道手套和机器学习方法利用手指弯曲模式进行手势分类和设备控制[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]，而安装在喉咙上的柔性传感器则捕获与发声相关的机械信号，实现免提交互[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。除了这些专注于应用的系统外，多功能设计还解决了应变-温度解耦[49]、触摸位置和强度感知[50]，以及应变感知与电磁屏蔽和疏水性的结合[51]问题。由于这两种模式对机械性能有显著不同的要求，安装在手套上的传感器必须能够承受较大的关节变形并识别跨通道的模式，而安装在喉咙上的传感器则需要通过单个时间通道检测小幅度振动。现有系统通常为这两个身体部位使用不同的传感材料、封装方案和采集电路；如果重用相同的压阻架构并采用通用的读出装置，可以减少特定于界面的硬件，同时实现手势命令和喉咙振动输入之间的切换。这种应用需求要求传感器同时具备微弱信号的灵敏度和变形恢复能力，以及单通道时间分类和五通道空间分类功能。
本文制备了一种热塑性聚氨酯/聚偏二氟乙烯/热塑性聚氨酯（TPU/PVDF/TPU）三层复合压阻传感器，采用电纺珠状纤维传感接口。珠状微突起是在连续的TPU纤维上原位形成的，而不是作为离散颗粒添加或从模具复制而来。涂覆多层碳纳米管/聚苯胺（MWCNT/PANI）分散液后，珠子和纤维连接处形成了可重新配置的导电接触。PVDF中间层提供了机械支撑和弹性恢复，而聚二甲基硅氧烷（PDMS）微圆顶阵列则集中了施加的负载。这样，接触放大、负载承载和变形恢复分别由不同的结构组件完成，而无需在传感层中增加图案转移步骤。该设备在0–0.522 kPa区间内的最大灵敏度达到5.029 kPa?1，在50 Pa时产生了可区分的响应，响应/恢复时间为42/63 ms，并且在大约4000秒内保持稳定的循环响应。对其压力响应、循环稳定性和接触演变进行了表征，之后该传感单元还被用于喉咙振动分类、五通道手势识别以及小型移动平台的控制。
章节摘要
材料和试剂
聚苯胺（PANI，99%）购自广东翁江化学试剂有限公司。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF，≥99.5%）和多层碳纳米管（MWCNTs，直径10–30 nm）购自上海阿拉丁生物科技有限公司。SYLgard? 184 PDMS基材和固化剂来自陶氏化学公司。透明PU膜、PVDF、TPU和丁腈手套均为市售产品。乙醇购自上海麦克林生化公司。
结构设计与表征
图1a展示了基于相同柔性传感单元的两种可穿戴输入配置：一种用于免提输入的喉咙振动，另一种用于车辆控制的手指手势。在两种配置中，电阻变化都被转换为时间序列电压信号进行分类；手势标签也被映射到平台命令。图1b展示了设备架构和制造顺序。TPU、PVDF和TPU依次通过电纺工艺形成上层和下层传感层。
结论
通过结合珠状纤维传感接口、PVDF支撑层和PDMS微圆顶阵列，开发了一种电纺TPU/PVDF/TPU三层复合压阻传感器。珠状微突起通过连续的TPU纤维连接，形成了可重新配置的导电接触；PVDF中间层促进了弹性恢复并限制了压缩；微圆顶阵列集中了施加的负载。由于传感拓扑结构与电纺过程同时形成，
作者贡献声明
牛洪森：负责撰写、审阅和编辑，撰写初稿，方法论设计，资金申请，概念构思。 陈天驰：撰写初稿，可视化设计，软件实现，方法论设计，概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了山东省优秀青年科学家基金计划（海外项目）（项目编号2025HWYQ-048）、山东省青年拔尖工程科技人才计划（项目编号SDAST2026 QTA016）和中国博士后科学基金（项目编号2024M761140）的支持。
附录A. 补充材料
本文的补充材料包括电极几何形状和尺寸（图S1），以及PVDF支撑层的X射线衍射图
陈天驰是中国济南大学集成电路设计与集成系统专业的应届本科生。2026年夏季，他在美国斯坦福大学担任本科生访问研究实习生。他的研究兴趣包括柔性可穿戴传感器、嵌入式信号采集和基于机器学习的人机界面。
陈天驰 | 牛洪森
