广西大学 、贵州大学：基于仿生梯度微结构实现从帕斯卡到兆帕的稳定高灵敏度压力传感

柔性压力传感器和电子皮肤（e-skin）日益被认定为可穿戴健康监测、人工智能辅助感知以及人机接口的关键技术，这得益于它们能够以高灵敏度和空间分辨率将机械刺激转化为电信号。在实际应用场景中，这些应用需要在极其宽广的范围内进行连续且精细的压力区分，从微妙的触觉刺激和生理振动（在Pa级别）到达到MPa级别的重机械负载 。例如，行走时的足底压力通常达到约0.3–1 MPa，而牙科、骨科和工业机器人经常涉及持续的MPa级加载。相反，脉冲信号和轻触通常发生在10 kPa以下，这对在低压力下保持高灵敏度，同时在大预载下维持线性、分辨率和稳定性提出了严格的要求。在单一柔性设备中实现从帕斯卡（Pa）到兆帕（MPa）超宽范围的灵活压力传感仍然是下一代可穿戴和互动系统面临的核心挑战。

鉴于此，广西大学Caofeng Pan、贵州大学Wenchao Gao课题组，在"Advanced Functional Materials"期刊上发表了题为“Biomimetic Gradient Microstructures Enable Stable, High-Sensitivity Pressure Sensing From Pa to MPa”的最新论文。作者提出了一种受雏菊启发的梯度半球阵列（GHA）离子压力传感器，该传感器通过集成的结构-机制-建模策略得以实现。该设备包含多层半球单元，以自上而下的梯度配置排列，其中几何形状、尺寸和间距在有限元指导下协同优化，从而可编程地调节结构的可压缩性和在外部载荷下接触面积的演变。为了进一步概括和解释这些基于力学的见解，作者建立了一个结合Shapley值分析的仿真训练替代模型，该模型定量捕捉了结构-响应关系，并验证了在探索的参数空间内的主导设计规则。这种综合策略有效抑制了高预载下的电容饱和，并扩展了整个Pa-MPa范围内的传感范围。因此，优化后的设备在0–2555 kPa范围内表现出一致的高灵敏度，超过122 kPa^−1，并在低压区域（0–61 kPa）中实现了超高灵敏度1864 kPa^−1，且具有宽广的线性响应。分级微结构阵列与增强的离子界面场之间的协同作用进一步实现了低检测限、兆帕级负载下的高压力分辨率，以及在持续高压下超过5700个循环的稳定运行。总体而言，本研究建立了一个可预测且具有普遍适用性的设计框架，用于超宽范围、高精度的压力传感，广泛适用于可穿戴电子设备、机器人、医疗监测及极端环境应用。

【图文解读】

图1 生物启发的渐变半球阵列（GHA）离子压力传感器：设计概念与机制。(a) 超宽范围柔性压力传感中的关键目标与核心挑战。(b) 传统单尺度微结构中灵敏度与感测范围之间的内在权衡。(c) 生物启发的渐变半球阵列的结构设计与机制调节感测。

图2 GHA结构的优化设计与表征。(a) 四种单层微结构的示意图，包括圆柱形、锥形、金字塔形和半球形几何形状。有限元分析（FEA）显示了在压缩下的 (b) 应力分布和 (c) 不同微结构在电极-离子界面处归一化实际接触面积的变化 ΔA/A0。(d) GHA在平板加载过程中的变形机制示意图。(e) 在压缩下，h/d = 1 的GHA的有限元模拟分阶段变形行为，对应于 (fiii)。(f) 梯度几何调制对层次接触面积增长的影响，包括 (i) 结构筛选（Cyl-HA、ConHA 和 GHA），(ii) 第二层的极角 (θ)，以及 (iii) 第二层的不同纵横比 (h/d)；不同界面处的 ΔA/A0-压力关系如图所示。

图3 可解释微观结构设计的代理建模和描述符归因。(a) 机器学习辅助代理框架模型的工作流程示意图。 (b) 随机森林（RF）、极端树（ET）、梯度提升（GB）和极端梯度提升（XGB）模型在均方根误差（RMSE）和平均绝对百分比误差（MAPE）方面的性能比较。 (c) 比较ET模型预测值与真实值的平衡图。 (d) 加载和几何描述符的全局重要性排名。 (e) SHAP（Shapley加性解释）蜂群图，展示几何描述符对模型输出的贡献的大小和方向。

图4 GHA图案离子凝胶的制备与结构表征。(a) 用于构建基于GHA的离子凝胶介电层的模板辅助图案化策略的示意图。(b) 光学和扫描电子显微镜（SEM）图像：(i) 3D打印模具（顶视光学图像）；(ii) PDMS负模具（顶视SEM图像）；(iii) GHA结构离子凝胶的形态特征，在顶视和横截面SEM视图中的表现。(c) 制备的GHA图案离子凝胶的照片。(d) 结构化离子凝胶的三维光学显微镜图像，展示了有序的微结构阵列。

图5 基于GHA的离子压力传感器的传感性能和结构分析。(a–c) 在低压（34.25–53.06 kPa）、中压（107–288 kPa）和高压（287.66–469.05 kPa）范围内的实时阶跃加载响应。(d) 带有和不带有GHA结构的设备的电容-压力响应比较。(e) 离子传感机制示意图，显示在加载下电双层（EDL）形成和接触面积调制的过程。(f) GHA变形的有限元分析（FEA）及EDL界面接触面积AEDL在阶段I-IV中的演变。(g) 本研究与其他电容式压力传感器在灵敏度和压力检测范围方面的性能比较。插图显示相应的检测限。

图6 全范围动态压力响应。(a,b) 在低压（1.79–38.82 kPa）和宽压（24.8–1296.43 kPa）范围内，持续增压下的实时电容响应。(c) 在227 kPa下不同加载速率的动态响应。(d) 通过加载单个绿豆验证检测限（≈7.6 Pa）。(e) 从单个花生仁检测微负载。(f) 在200 kPa加载下设备的响应和松弛时间。(g) 三个加载（200 kPa）/卸载循环的滞后特性。(h) 在逐步压力加载下的稳定性。(i) 在41.13–205.53 kPa之间的循环压力下的稳定性。(j) 在1638、2047和2457 kPa超高压力下的动态电容响应。(k) 在1377 kPa下经过5700次加载-卸载循环的高压耐久性。(l) 本研究报告的循环压力和循环次数，以及最近报告的电容压力传感器。

图7 离子电子压力传感器的高分辨率传感和线性响应。(a) 在低压和高压预加载下的离子电子传感示意图，展示了在高压预加载上叠加的小压力增量（ΔP）的检测。(b-e) 在参考压力为0、1000、1500和2000 kPa时，对小压力（15 kPa）步骤的动态电容响应。(f) 响应幅度随预加载压力变化的概念趋势。(g) 本研究与不同类型电容压力传感器之间的多维性能比较。(h) 使用传感器的简单电子秤装置。(i) 使用10、20、50、100、200和500克标准砝码的电容与质量的校准曲线。(j) 传感器基于的秤测量的质量与商业电子秤测得的质量之间的比较。

图8 GHA离子传感器在Pa-MPa范围内的多功能压力监测。(a) 传感器对微小负载的响应，以绿豆作为代表性测试对象（插图：测量设置）。(b,c) 传感器附着在手指上轻微弯曲时的实时电容响应，插图展示了相应的手指姿势。(d,e) 随着小弯曲角度θ变化的逐步电容响应和标定曲线。(f,g) 从轻微屈曲到90°完全运动的手指弯曲实时响应。(h) 在约1.07 MPa静态预载下，水箱在十个加载/卸载循环中的电容响应。(i,j) 在约8.7 kg预载上逐步增加600 g水时获得的电容响应。

【结论与展望】

柔性压力传感器通常仅在其标称工作范围的有限部分进行评估，这使得在单一设备中同时实现高灵敏度、超宽范围检测和在大预加载下的可靠信号分辨率变得困难。在本研究中，作者提出了一种基于仿生雏菊灵感的梯度半球阵列的几何引导策略，以实现从帕斯卡到兆帕的稳定压力传感。通过将有限元分析引导的优化与可解释的模拟训练代理模型相结合，合理设计了多级梯度微结构，以调节可压缩性和接触面积的演变，从而减轻电容饱和并扩展可测压力范围。所得到的离子传感器在0–2555 kPa范围内提供了超过122 kPa−1的一致高灵敏度，同时在低压范围（0–61 kPa）内展现出1864 kPa−1的超高灵敏度，以及7.6 Pa的低检测限。该设备进一步显示出低于5毫秒的快速响应/恢复时间，在重复加载下保持稳定操作，并在兆帕级预加载下仍能实现可靠的压力分辨率。除了设备性能外，代理模型的解释揭示了支配传感响应的关键多级设计规则，建立了一个可推广的框架，将仿生几何、界面力学和压力传感行为联系起来。这种集成的结构-机制-建模策略为下一代超宽范围柔性传感器在可穿戴电子设备和人机界面中的应用提供了一条实用的途径。

【参考文献】

Jin, B.et al.Biomimetic Gradient Microstructures Enable Stable, High‐Sensitivity Pressure Sensing From Pa to MPa.Adv Funct Materialse77497 (2026) doi:10.1002/adfm.77497.

来源：新一代柔性传感