结合摩擦电与压阻机制实现信号区分与验证的双模态导电水凝胶传感器

《Advanced Electronic Materials》：Dual-Mode Conductive Hydrogel Sensor Combining Triboelectric and Piezoresistive Mechanisms for Signal Differentiation and Verification

　　

当今传感器不能仅停留于简单检测层面，而需要具备自适应、差异识别以及对复杂现实交互进行智能解析的能力。然而，大多数传感技术依赖单一机制，这带来了固有限制，例如摩擦电传感器难以检测静态或持续触碰；相较之下，压阻传感器则倾向于拾取无关的环境噪声。为应对这些挑战，研究人员提出了一种由物理交联聚乙烯醇/聚苯胺-银纳米颗粒水凝胶构建的双模态传感器，该器件兼具高灵敏度与适应性。通过构建分级渗流网络（hierarchical percolation network），该水凝胶实现了0.448的应变计因子（gauge factor, GF），较原始水凝胶传感器提升244%。该双传感器设计还引入了体积调控型压阻机制，获得了3.557 kPa^?1的灵敏度。该同步双信号系统可实现智能感知，例如通过抑制摩擦电信号同时保留电阻信号，实时区分机械触碰与环境湿气。在反向构型中，通过将导电水凝胶与外部电极机械解耦的系统，可阻断直接电阻通路，而静电感应仍维持摩擦电信号。此外，研究人员利用具备自验证能力的4 × 4双模态摩擦电/压阻触觉传感阵列，实现了精确触觉映射。

该论文发表于《Advanced Electronic Materials》，围绕柔性智能传感器在复杂环境中的多维感知能力展开。研究背景在于，当前柔性传感器虽已广泛应用于健康监测、智能家居、环境监测和人机交互等领域，但单一换能机制的传感器在真实场景中存在明显瓶颈。压阻传感器适于检测静态压力，能够连续输出稳态信号，但容易受到环境干扰，尤其在高密度阵列中容易出现串扰，并且通常依赖外部供电。摩擦电传感器则具有自供能和对动态接触高度敏感的优势，适于检测运动、振动和接触-分离行为，但无法对静态持续接触作出响应，且容易受汗液或表面湿气影响，导致输出衰减。正因为这两类机制各有长短，如何构建一种能够兼顾动态与静态刺激识别、同时具有抗干扰与智能判别能力的双模态平台，成为该研究的直接出发点。

研究人员据此设计了一种基于聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）/聚苯胺（polyaniline, PANI）-银纳米颗粒（AgNPs）复合水凝胶的双模态传感器，并以硅橡胶（Ecoflex）进行封装。该工作的核心创新体现在三个方面：其一，通过在PVA/PANI网络中嵌入AgNPs“纳米桥”，构建分级渗流网络，从而显著增强压阻灵敏度；其二，提出体积调控型（volume-controlled）压阻感知机制，使器件响应不仅与局部压力有关，还与接触面积诱导的整体形变体积相关；其三，建立同步双信号解耦与验证策略，使器件能够区分机械触碰、环境湿气以及机械解耦等复杂刺激。研究表明，优化后的0.60 wt.% AgNP掺杂水凝胶将GF提升至0.448，较原始水凝胶提高244%；在双模态工作中，器件压阻灵敏度最高达到3.557 kPa^?1，并可在4 × 4触觉阵列中实现可靠的空间定位与信号交叉验证。上述结果说明，该体系在自供能电子皮肤、人机界面和可穿戴监测领域具有重要应用潜力。

作者开展研究所采用的关键技术方法主要包括以下几类。首先，采用冻融循环法制备物理交联PVA/PANI及PVA/PANI-AgNP复合导电水凝胶，并通过调节PANI与AgNPs含量实现材料组成优化。其次，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线谱（EDS）对材料的分子相互作用、结晶特征、微观形貌及元素分布进行表征。再次，通过拉伸/压缩力学测试、电学输出测试以及程序化加载平台，系统评估摩擦电（triboelectric）与压阻（piezoresistive）性能。最后，构建双通道同步采集电路，实现共享引线条件下的摩擦电信号与电阻信号同步测量，并在4 × 4触觉阵列中结合二维等高填色映射评估空间分辨能力。本文未涉及生物样本队列研究。

3.1 材料表征
本节主要说明AgNPs引入后对复合水凝胶力学性能、分子结构和微观形貌的影响。研究人员首先展示了冻融法制备柔性水凝胶的流程，并通过实物照片证明其具有拉伸、弯折、卷曲和扭转等良好的形变适应性。封装实验表明，Ecoflex包封可显著减缓水分蒸发，使样品在72 h以上保持稳定含水状态，从而维持摩擦电器件的初始性能。力学测试结果表明，纯PA水凝胶具有典型弹性体行为，断裂伸长率高但强度较低；随着AgNPs含量增加，拉伸强度和压缩承载能力均明显提高，说明AgNPs在PVA/PANI网络中充当了刚性物理交联点和承载填料。与此同时，AgNPs提高模量的代价是降低断裂伸长率。FTIR结果显示，PVA与PANI复合后，特征峰位发生偏移并出现增强信号，提示聚合物链之间存在更强耦合；进一步加入AgNPs后，部分峰强减弱，反映AgNPs改变了局域链构象和微环境。XRD结果说明该水凝胶在溶胀态总体仍以非晶特征为主，这种高可变形性有利于传感时导电通路重排和离子迁移。SEM与EDS结果则证明AgNPs在水凝胶中分布均匀，未见明显团聚，这为后续电学稳定性和灵敏度提升提供了结构基础。

3.2 PA-TENG的电学性能
本节聚焦PA水凝胶作为摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）内部电极时的基础输出能力。研究人员分别在单电极模式与垂直接触-分离模式下阐释其工作原理：接触时Ecoflex与丁腈橡胶（nitrile rubber）之间发生接触起电，分离时由静电感应驱动电子在外电路中流动，形成交变电流。通过不同对偶摩擦材料的手动拍击实验，作者筛选出丁腈丁二烯橡胶（NBR）作为性能最优的正性摩擦层。进一步优化PANI含量发现，0.132% PANI时输出电压达到较优水平，因此被选作后续测试配方。在2.5 N载荷与2.0–6.0 Hz频率下，器件输出电压、电流与转移电荷均随频率升高而增加，说明更高冲击频率可增大接触面积与表面电荷密度。外接负载实验显示，器件在100 MΩ匹配电阻下功率密度约为2.8 W/m²。充电实验进一步证明其具备自供能能力，能够在10 s内将4.7 μF电容充至5.5 V，并点亮商业LED。基于这些输出性能，研究人员还展示了该器件从键盘输入、弯曲动作、手指轻拍和鼠标点击等日常活动中收集能量并感知动作的能力，说明其可作为无需外部电源的人机交互节点。

3.3 PA-Ag传感器的压阻特性
本节主要分析AgNPs对压阻响应增强的作用机制。研究人员对不同AgNPs浓度的PA-Ag水凝胶进行20%–100%循环拉伸测试，结果显示所有样品在拉伸时电阻上升、释放后回到基线，体现了良好的可逆正压阻行为，其本质源于PANI-PANI与PANI-AgNP导电通路在应变作用下断裂与重建。通过ΔR/R₀与应变线性拟合得到GF，纯PA水凝胶仅为0.13；随着AgNPs增加，GF依次提升至0.277、0.440和0.448，在0.60 wt.%时达到最优，而0.80 wt.%时略有下降。作者据此认为，适量AgNPs作为高导电纳米桥连接PANI结构域，在拉伸过程中更容易断开，从而放大电阻变化；但过量AgNPs会导致局部饱和，削弱进一步增敏效果。优化样品还表现出优异线性（R² = 0.996）。在人体运动监测中，该压阻传感器能够稳定区分不同手指弯曲、定量反映弯曲角度，并对肘、膝和腕部的不同动作速度和弯曲幅度给出可辨识响应，说明其适合用于关节运动、手势识别和康复训练监测。

3.4 同步双模态传感机制与测试系统
本节建立了该器件实现双模态同步读出的物理图景和测试架构。研究人员利用同一水凝胶结构中的两根铜导线，同时连接数字万用表与示波器/低噪声前置放大器，分别采集电阻信号与摩擦电信号。器件工作可分为四个阶段：初始松弛态时导电网络连续、电阻较低；受压接触时，水凝胶发生整体体积形变，导电通路被拉伸与部分破坏，电阻升高，同时摩擦界面产生等量异号电荷；分离过程中，水凝胶弹性恢复使电阻下降，同时静电感应驱动电子流动形成摩擦电输出；完全分离后，形状与导电网络接近恢复初值，直至下一轮接触开始。等效电路分析与实验对比证明，共享引线配置下仍可通过时域分离和阻抗匹配实现信号隔离，且与独立引线测得结果一致。面积依赖性测试是本节的重要结果：在3.0、6.0和9.0 cm²接触面积下，随载荷增大，ΔR/R₀和摩擦电电流均稳定上升；更关键的是，在相同外力下，尽管名义压力下降，较大接触面积反而产生更高压阻响应，说明信号主要受压缩体积而非局部表面压力控制。由此得到的压力灵敏度分别为0.345、1.684和3.557 kPa^?1，证明该体系具备面积自适应感知能力。连续3500 s加载测试中，双通道信号均保持稳定，体现出良好的耐久性。

3.5 智能双模态应用：信号区分与实时监测
本节展示双信号同步分析在复杂场景辨别中的优势。首先，研究人员通过1指、2指和3指拍击验证面积自适应特性，发现压阻信号和摩擦电信号均随接触面积增加而增强，说明该器件可根据接触面积区分不同触摸模式。其次，器件表现出湿气识别能力：在干燥条件下，手指拍击可同时产生稳定的ΔR/R₀与摩擦电流；加入水滴后，压阻信号基本保持不变，而摩擦电信号逐渐衰减直至消失，原因在于连续水层中和了表面静电荷并阻止进一步接触起电。由此系统可通过“电阻保持、摩擦电消失”的模式识别环境湿润状态。再次，在机械解耦实验中，当绝缘间隔层插入导电水凝胶与外部铜电极之间时，直接电阻通路被切断，压阻信号消失，但摩擦电信号仍可借助静电感应存在，证明该结构还可用于非接触式电荷采集与接近感知。研究人员还将器件贴附于外卖咖啡杯壁，通过握持状态下的双信号变化区分空杯、半杯和满杯，说明该器件能感知液体水平变化所引起的受力耦合差异。此外，将其集成于步态监测系统后，行走与跑步状态在ΔR/R₀幅值、摩擦电流幅值及频率上均呈现显著差异，验证了其在可穿戴健康监测和运动状态识别中的应用价值。

3.6 面向人工电子皮肤的双模态触觉阵列
本节将材料与器件性能扩展到空间分辨触觉感知层面。研究人员构建了4 × 4双模态触觉传感阵列，以模拟人皮肤对位置与压力强度的综合感知能力。通过手套手指按压特定像素，并同步采集ΔR/R₀和摩擦电流，作者利用矩阵平均和二维等高填色方法生成压力分布图。结果表明，单点按压时，压阻与摩擦电两种等高图都仅在对应像素出现局域高响应；按压相邻两点时，两类信号都能清晰分辨两个独立刺激点，而不会合并为单一伪影；存在间隔的双点按压亦能被准确区分。这表明双模态验证策略能显著提高阵列定位准确性并抑制串扰。进一步地，作者指出该架构克服了单一TENG难以检测静态刺激的固有缺陷：按下瞬间产生摩擦电脉冲且压阻上升，持续按压时摩擦电衰减至零而压阻维持高阻态，释放时摩擦电出现反向峰且压阻恢复基线，因此系统能够完整区分“按下—保持—释放”三种触觉状态。对于高阻抗电压阵列常见的电容串扰问题，压阻通道还可作为抗静电耦合的机械约束验证信号，从而共同提升电子皮肤的灵敏度和位置解析精度。

综合讨论表明，该研究的价值在于并非简单叠加两种传感机制，而是通过材料网络设计、器件结构设计和同步信号读出策略，实现了摩擦电与压阻通道之间的互补、解耦和交叉验证。AgNPs构建的分级渗流网络不仅提升了压阻灵敏度和线性范围，也为摩擦电通道提供了更优的内部导电基础；而5 mm厚水凝胶所呈现的体积主导压缩特征，则引出了区别于传统表面压力传感的面积自适应响应规律。更重要的是，该双模态系统在湿气干扰、机械解耦、静态保持和阵列串扰等实际问题上提供了基于原始物理信号差异的解决方案，体现出较强的工程适配性与应用外延。

结论部分可译为：总之，研究人员成功开发了一种基于PVA/PANI/AgNP（PA-Ag）水凝胶的高灵敏、面积自适应双模态传感器。该器件通过将摩擦电动态接触-分离信号产生机制与体积型压阻机制相结合，克服了单模态传感器的局限。优化后的0.60 wt.% AgNPs作为导电纳米桥，将压阻应变计因子提升至0.448，较原始水凝胶提高244%。该传感器表现出3.557 kPa^?1的独特体积调控灵敏度，能够区分接触面积大小与局部压力差异。此外，双信号处理能力支持多种智能功能，包括区分机械触碰与环境湿气、提供一种抗干扰的机械交互类型判别方法，并实现人体活动监测。最终，该传感器在4 × 4触觉阵列中通过双信号交叉参照准确完成触觉映射，展示了其在自供能电子皮肤、人机界面和可穿戴健康监测等先进应用中的广阔前景。