靈敏度高、線(xiàn)性傳感范圍寬的柔性壓力傳感器在機器人觸覺(jué)、健康監測、可穿戴設備領(lǐng)域具有重要應用。構筑微結構可以提高傳感器的靈敏度，但由于軟材料在壓力作用下的結構硬化問(wèn)題使傳感器的響應逐漸飽和，導致器件呈現較窄的傳感范圍和顯著(zhù)的非線(xiàn)性響應。

針對這一問(wèn)題，來(lái)自南方科技大學(xué)的郭傳飛教授團隊設計了由微穹頂陣列與帶有次級微柱的微穹頂（分級微穹頂）陣列而形成的一種分級互鎖結構，有效提升界面結構的可壓縮性，顯著(zhù)降低結構硬化，實(shí)現柔性壓力傳感器的高靈敏度（49.1 kPa-1）、線(xiàn)性響應（相關(guān)系數R2>0.995）和寬傳感范圍的統一（~485 kPa）。傳感器的響應/恢復時(shí)間小于5 ms，可以檢測頻率高達200 Hz的振動(dòng)刺激，顯示出良好的動(dòng)態(tài)響應特性。將傳感器用于機械手的抓取任務(wù)中，結合機器學(xué)習，幫助機械手識別被抓取物體的重量，提升機器人觸覺(jué)感知能力。相關(guān)工作以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range"為題發(fā)表于國際期刊《ACS Nano》。

該研究使用面投影微立體光刻技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）打印具有微穹頂結構以及分級微穹頂結構的樹(shù)脂作為模具，進(jìn)一步地，通過(guò)模板法獲得具有微穹頂結構的環(huán)氧樹(shù)脂/Au電極及離子膜。打印模具尺寸：9 mm×9 mm×1.5 mm，單個(gè)微穹頂尺寸（電極模具）：寬290 μm，高480 μm；次級微柱尺寸（離子膜模具）：直徑28 μm，高70 μm。每層打印精度設置為5 μm，以實(shí)現分級互鎖結構的高精度、定制化打印。

這項工作為制造具有高靈敏度、高線(xiàn)性度和寬壓力響應范圍的柔性壓力傳感器提供了一種策略，在未來(lái)的觸覺(jué)器件中具有廣闊的應用前景。

圖1. 分級互鎖結構的可壓縮性及器件傳感原理

分級互鎖結構由微穹頂結構與帶有次級微柱的微穹頂結構組成。微柱在分級互鎖結構中具有重要作用。一方面，它提高了結構的可壓縮性，減少結構硬化，使應力分布更均勻，有助于實(shí)現線(xiàn)性形變；另一方面，微柱結構的引入減小了電極與離子膜之間的起始接觸面積，可有效提高了器件的靈敏度（圖1）。

圖2. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的制備

該研究使用面投影微立體光刻技術(shù)打印具有微穹頂結構以及分級微穹頂結構的樹(shù)脂作為模具。進(jìn)一步地，通過(guò)模板法獲得具有微穹頂結構的環(huán)氧樹(shù)脂/Au電極及離子膜，并與平面電極PET/Au組合、封裝，獲得分級互鎖型器件（圖2）。

圖3. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的傳感性能

分級互鎖結構的設計實(shí)現了器件的高靈敏度、高線(xiàn)性度及寬傳感范圍的統一，同時(shí)提升了器件的響應速度，實(shí)現對高頻振動(dòng)刺激的精準檢測，呈現出良好的動(dòng)態(tài)響應特性（圖3）。

圖4. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的線(xiàn)性傳感特性

將該傳感器用于開(kāi)發(fā)線(xiàn)性響應的電子天平，并用于測量幾種未知物體的重量，其輸出結果與商業(yè)電子天平的稱(chēng)量結果幾乎一致，表明了自制電子天平對質(zhì)量的測量比較準確、可靠，而且無(wú)需額外的非線(xiàn)性校準，大大簡(jiǎn)化數據處理過(guò)程（圖4）。

圖5. 基于機器學(xué)習的抓取任務(wù)感知與重量識別

柔性壓力傳感器的一個(gè)重要應用是為機器人帶來(lái)觸覺(jué)感知能力，使機器人能夠像人類(lèi)一樣與外界互動(dòng)。將分級互鎖型傳感器集成在氣動(dòng)抓手表面，實(shí)現機械手在抓取物體時(shí)的觸覺(jué)感知；結合機器學(xué)習，幫助機械手識別物體的重量（圖5）。