你可曾尝试徒手抓豆腐？是否发现哪怕再灵巧再柔软的手，也很难做到不把豆腐抓碎？不过，人类的优点之一便在于通过发明工具，来达成依靠人力无法实现的目标。
这不，前不久厦门大学教授团队联合香港理工大学教授课题组打造了一款柔性压力传感器。装备该传感器的机械夹爪既可以抓起老豆腐，更可以抓起嫩豆腐。不仅如此，还能”软硬通吃”，抓起金属块。图 | 抓豆腐实验（来源：Nature Communications）同时，其还拥有超宽的线性量程。当利用汽车重量施加的压力来作为预载荷，然后使用这款传感器进行低压力的分辨监测时，它竟能测出一瓶矿泉水所引起的微小重量变化，分辨率可以达到 0.09%。而在同等情况之下，人类皮肤的分辨率仅为 7%。图 | 传感器性能标定结果、传感器 5 万次循环加载测试结果、车辆预压下的高灵敏压力分辨、1.5 吨重轿车载重量变化监测（来源：Nature Communications）研究中，课题组还提出一种全新的传感器设计策略和制造工艺，让该传感器得以兼具高灵敏度和超宽线性量程，其线性影响因子（Linear Sensing Factor, LSF=34440）远高于已有的绝大部分压阻式柔性压力传感器。
其一，可用于机器人的智能感知，以实现对外界环境的感知和适应。通过宽线性量程的压力传感，机器人可以更好地感知和理解周围环境中的物体和人的形态、重量和触感等信息，进而实现更精准的操作。其二，可用于医疗诊断，例如监测血压、心率、呼吸等人体生理信号。通过高灵敏度的压力传感，能够精确地测量这些信号的变化，帮助医生进行诊断和治疗。以睡眠呼吸暂停综合症的诊疗为例，医生可以通过传感器监测患者的呼吸和心率变化来确定病情。想必大家对于传感器并不陌生，研究传感器的课题组也有很多。那么，小小的传感器缘何吸引这么多科学家前赴后继？作为现代信息技术的三大支柱之一，传感器已被广泛用于军事、海空探测、机器人、医疗、工业生产等领域，在国防和国民经济中发挥着重要作用。近来年，不少国家均从国家战略层面加紧布局，大力支持传感器研发工作，并将其列为高科技产业竞争的重点发展领域。2021 年，国家发布《国民经济十四五规划和 2035 年远景目标纲要》，将传感器列为“卡脖子”关键技术领域。2022 年，国务院在印发的《计量发展规划（2021—2035 年）》中明确指出要加快传感技术领域的突破。同时，美国、欧盟等国家和地区在《关键与新兴技术国家战略》和电子复兴计划中，也将高端传感器列为重要战略技术。柔性压力传感器，是实现机器人智能感知和人机交互的核心器件。它能以信号传导的形式将压力信号转换为电信号，从而实现压力信息的快速精确传导，是当前智能传感器的研究前沿和热点领域。针对周围环境的刺激，机器人要想更好地做出及时、精准的感知，就会给传感器的灵敏度、量程和线性度等性能指标提出极高要求。但是，它们之间往往存在一定的制约关系，无法做到同时兼备。高灵敏度，意味着即便面对微小压力的变化，传感器也能做出快速且准确的响应。在医疗诊断、环境监测、工业过程控制等应用中，对于精确测量和控制有着严格要求。然而，在提高灵敏度的同时，往往会降低传感器的量程。另一方面，宽线性量程意味着传感器能够测量更大的压力范围，而不会达到其量程上限或下限。对于机器人智能感知、人机交互、航空航天等应用，它们对于压力测量范围有着较大需求。然而，要实现宽线性量程，往往需要传感器具有更大的刚度、或更厚的可变形敏感层，而这会降低传感器的灵敏度。因此，如何在保证高灵敏度的同时实现宽线性量程，一直是柔性压力传感器领域的研究难点和重点。这不仅需要深入理解压力传感器的物理机制和材料特性，还需要在设计和制造过程中进行精细的优化和控制。基于此，课题组和课题组开展了本次研究。研究中，为了建立非线性协同设计新策略，基于传感器的“应力-应变”和“电流变化率-应变”关系，他们先是建立了一款力电耦合模型。通过此，课题组开始研究压力敏感层的非线性电学性能、以及力学调节器的非线性力学性能，对于传感器线性度的协同调控机理。再将压力敏感层和力学调节器通过应变建立耦合关系，进而建立传感器力-电耦合的理论模型。据此，他们提出了非线性协同设计策略，利用压力敏感层的非线性压阻率、以及力学调节器的非线性弹性之间的协同作用，实现了高灵敏与超宽线性量程在性能上的兼得。图 | 非线性协同设计新策略示意图（来源：Nature Communications）为了实现压力敏感层的高精度、高效制造，采用动态聚焦激光加工技术，在密胺脂海绵（MF）上加工出双面金字塔微结构阵列（DPyMF），随后借助高温热解的工艺，让金字塔多孔结构碳化而获得导电性，并缩小金字塔微结构的尺寸（DPyCF），以便进一步提升传感器灵敏度。最后，将压力敏感层（DPyCF）嵌套至力学调节器（SR）中，将它们形成一个整体，这个组合结构被称之为 DPyCF@SR。
图 | （a）DPyCF@SR 柔性压力传感器结构示意图；（b）DPyCF@SR 柔性压力传感器制造工艺流程（来源：Nature Communications）在性能以及应用集成上，针对高灵敏度-宽线性量程柔性压力传感器，研究团队测试了它的灵敏度、样品一致性、循环稳定性、最小检测极限压力、响应时间等性能指标。确定性能之后，课题组开展了以下三项应用：高载荷预压下的微小压力分辨、机器人智能抓取、生理信号检测和密码-压力双重加密（人机交互）。图 | （a）密码-压力双重加密锁系统示意图；（b）基于 Unity3D 的密码-压力双重加密锁人机界面；（c-d）一次不成功的尝试和一次成功的解锁尝试（来源：Nature Communications）在论文返修过程中，有两位审稿人提出了相似的 comment，认为相关应用不够突出传感器的性能特点，即体现不出高灵敏和超宽线性量程的应用特点。为了回复这个问题，和团队设计了文章开头的抓豆腐和测压力的实验。最终，相关论文以《非线性协同：实现高灵敏度和宽线性量程压力传感的优雅策略》（）为题发在 Nature Communications[1]。图 | 相关论文（来源：Nature Communications）厦门大学博士生是第一作者，厦门大学教授和香港理工大学教授担任共同通讯作者。整体来看，通过探究高灵敏度和宽线性量程之间的内在联系和制约机制，可以更好地掌握柔性压力传感器的性能优化方法。这既能为压力传感器的设计和制造提供理论指导和技术支持，也能为柔性电子技术和微纳制造技术的发展提供新方法。同时，优化之后的柔性压力传感器也将具有更广阔的前景。下一步，他们将开展多轴激光微纳制造的研究，通过设计独特的微结构，来提升传感器的稳定性和可靠性。传感器的稳定性决定着其使用寿命和可靠性。在不少应用中，传感器需要长期连续运行，因此其稳定性将直接影响到整个系统的运行和成本维护。未来，他们打算通过选择可靠的原材料、优化制造工艺、进行严格的质量控制等方式来实现。传感器研究，是一个非常讲究应用价值的课题领域。在应用孵化上，也一直在积极探索，并积累了多个校企合作案例。从读博开始，就深耕于微纳制造和材料成型等领域。十几年来在埋头科研的同时，他也不曾忘记“闻窗外事”。比如，他曾主持厦门集团、等国有大型企业委托项目。
在项目实施过程中，团队建立了一批具有核心竞争力和自主知识产权的关键技术，突破了“卡脖子”技术瓶颈。课题组和厦门公司、厦门公司有着 10 余年的紧密产学研合作研发，在高性能氢燃料电池关键元件及系统、氢燃料电池健康监测传感技术、可移动式的燃料电池供氢装备、高安全燃料电池客车集成技术上取得了一系列突破，研制生产了一批高安全、高性能氢燃料电池客车，牵头建立了氢燃料电池客车的生产标准和规范。
迄今为止，团队与厦门公司共同研制了 8.5 米、10 米、12 米等一系列的氢燃料电池客车，并已在广东佛山、浙江湖州、福建福州、湖北武汉等地累计销售与订购 320 余辆，总产值超过 4.2 亿元。在取得经济效益和社会效益的同时，也为将厦门打造成氢燃料电池客车生产研发基地出了一份力。
1.Chen, R., Luo, T., Wang, J.et al. Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing. Nat Commun 14, 6641 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42361-9
运营/排版：何晨龙