西南交大研发二级放大的压阻薄膜，实现人类手臂触感的精准模拟

　　此时此刻，请你低头看一看手臂上的汗毛，轻轻一碰，便能产生明显的感觉。这是因为每个汗毛周围都有许多感觉神经末梢。这些神经末梢可以感知外界的刺激，比如轻微的压力、振动、温度变化等。通过神经系统，外界刺激信息会被传递到大脑皮层的感觉区域，进而让人产生感觉和知觉。
　　（来源：Pixabay）
　　即使不直接触摸人体皮肤，哪怕只是摸一下汗毛，大脑神经末梢仍会产生轻微的刺激，从而激活皮肤上的触觉受体，进而传递到大脑皮层，最终让我们产生触觉感受。
　　以此为灵感，西南交通大学邓维礼/杨维清课题组构造出一种仿人类皮肤汗毛的微结构，这种仿生间歇微结构具有二级放大的功能，通过提高传感器的可压缩性，同时提高了传感器的灵敏度（461kPa 1）和响应范围（310kPa）, 其性能相较于常规的均一微结构高出好几倍。
　　图 | 邓维礼（来源：邓维礼）
　　研究中， 他们采用了一种制备微结构的快捷方法——激光刻蚀制备法，可以实现传感器的大面积制备，从而提高传感器的可扩展性和可重复性，并能基于工业需求定制各种微结构。 该方法为制备柔性可穿戴传感器提供了一个新方向。
　　基于这种方法设计的柔性压阻式器件，具有灵敏度高、线性范围宽等特点，有望在以下领域推广应用：
　　首先是用于触觉感知：在虚拟现实和元宇宙快速发展的当下，触觉感知是不可或缺的组成部分。可穿戴压力传感器能够赋予智能机器人以触觉感知的功能，或将为人机交互技术带来巨大变革。
　　其次是用于健康监测：对于可穿戴健康监测来说，柔性高灵敏传感器起着至关重要的作用。当把传感器共形贴附之后，可以监测心率、呼吸等生理指标，以及姿势、运动幅度等行为信息。这些数据在反馈人体健康状况的同时，还可以帮助教练或运动员优化训练计划以及提高运动表现。
　　再次就是用于状态监测：在工业生产的监测领域里，柔性传感器堪称大有可为。对于受限空间内的机器运转状态的监测，这些数据可以帮助企业提高生产效率、降低生产成本以及提高生产安全性。
　　（来源：Advanced Functional Materials）
　　日前，相关论文以《Bioinspired MXene-Based Piezoresistive Sensor with Two-stage Enhancement for Motion Capture》为题发在   Advanced Functional Materials   上，并被期刊编辑选为当期封面 [1]。
　　图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
　　西南交通大学材料科学与工程学院硕士研究生王生龙是论文第一作者，邓维礼特聘研究员和杨维清教授担任共同通讯作者。
　　使用激光加工法，实现微结构的快速大面积制备
　　柔性时代的来临已成为大家的普遍共识。柔性可穿戴传感器在智能健康监测、体育训练、人机交互等领域展现出诱人的应用前景。
　　目前，柔性传感器正逐渐由基础研究向产业化方向迈进，学界围绕传感器的灵敏度、选择性、稳定性、响应范围、规模化制备等开展了大量研究。
　　其中，敏感功能层作为传感器最重要的组成部分，针对它的研究主要集中在先进材料、敏感结构和制备工艺等方面。
　　对于柔性压阻式传感器来说，在其敏感层上修饰微结构，可以有效调控接触应力和导电通道，进而获得具有接触面积易变、恢复快、灵敏度高等优点的传感器。
　　为了获得规则有序的微纳结构，过去人们通常采用光刻、湿法刻蚀等微纳加工工艺，这既能保证微纳结构的均一性，又能保证器件的复现性。
　　然而，在这种复杂的制备工艺里，不仅需要高精尖的微纳加工设备，也会导致微纳结构制备速度慢、成本高，限制了可穿戴传感器的规模化生产和应用。
　　尽管通过复刻砂纸或大自然中树叶花瓣等表面结构可以实现批量制备，但这种模板表面的结构是随机的，毕竟世界上没有两块完全一样的树叶，所以这类微结构薄膜器件的性能依旧难以预测，标定器件也相当困难。
　　因此，学界一直在探索更加高效、更低成本的柔性传感器制备工艺，以满足可穿戴传感器的市场需求。
　　而在本次研究里，邓维礼/杨维清 课题组发现通过激光加工的方法，可以实现微结构的快速大面积制备，不仅可以定向调控微结构的尺寸，保证结构的均一化，同时还能降低制备成本。
　　（来源：Advanced Functional Materials）
　　力争实现人类手臂触感的精准模拟
　　在前期研究中[2]，该团队曾采用光刻加湿法刻蚀制备出一种结构模板，进而造出了均一的金字塔微结构。
　　由于涉及到微纳加工，包括洗片、匀胶、曝光、显影、刻蚀等一系列工艺，各个工艺之间环环相扣，一步出错就得全盘重来。
　　在前期工作完成之后，他们发现所使用的工艺依旧比较复杂，对于微结构的调控能力也十分有限，学生们也不愿再用这套复杂流程去开展新研究。
　　于是，课题组开始思考是否有更简单的方法，既能保证微纳结构的可调可控，又能实现大规模、快速、低成本制备？
　　一次偶然的机会里，他们发现在给激光切割机设置参数时，当切割距离较远时，激光能量不足以把材料切断，而是只会留下一个沟槽。
　　＂这个点给我们带来了启发，即能否通过调整激光的强弱，来制备微结构模板？后来我们一试，发现这个方法果然十分快捷方便。＂邓维礼说。
　　而且他们还发现，结构的各种参数比如长度、宽度、高度、间距等，都可以通过激光参数进行调控。相比之下，当使用传统光刻法来制备不同参数的模板时，首先得重新定制掩模版，换一个参数后又得换掩膜版，可谓耗时、耗材、又耗力。
　　而在挖掘出上述新方法之后，人体皮肤触觉感知又给他们带来了新启发：能否通过构造类似人体汗毛一样高低不一的微结构，把对于外界的刺激比如压力，转化为不同的结构变化。
　　当受到微小的压力时，让高的汗毛（微结构）做出反应；而在高压力的时候，则让高的和低的汗毛（微结构）一起做出反应。
　　按照这个设想，课题组开展了相关实验，结果发现这种结构确实可以很好地提高性能。相比普通均一结构的压缩变化，这种高度不一的结构存在一个先后接触的过程，该过程会让电阻发生梯度型的变化，从而提高器件的灵敏度和响应范围。
　　（来源：Advanced Functional Materials）
　　后来，他们又做了一个应用验证。目前，大部分的人体运动监测或者人体动作监测，均用视觉 open cv。如果摄像头被遮挡或者不在摄像头内的话，就无法监测动作信号。
　　而可穿戴传感器根本不存在这种问题。在验证实验中，该团队将传感器部署在脚底，脚底的压力通常在千帕量级，而该传感器的响应范围远远超这过一数值，因此它能被轻易用于监测脚底不同运动所带来的不同电信号。再结合机器学习，还能实现各种不同姿势的准确识别。
　　据介绍，多年来该团队一直从事柔性压力传感的相关研究，尽管本次成果改善了制备工艺，也提升了灵敏度和响应范围。但是，一款理想的可穿戴器件还要满足很多要求，比如与人体皮肤的共形性、舒适性、透气性等。
　　课题组的后续计划是，让这种仿生结构的器件真正具备人体皮肤的功能。原因在于，人体皮肤不仅仅只是感受单一的应力，它对温度等等其他刺激都很敏感，这些刺激信息通过神经系统传递到大脑，帮助人体做出相应的反应。
　　因此，该团队打算将这种器件应用于人机接口，将其与机器人手臂或假肢等医疗设备结合起来，实现人体触感的传输和模拟。
　　同时，其还将进一步探索如何将传感器输出的信号转换为合适的电信号，并将其通过人机接口传输到人的神经系统中，从而让失去知觉的人重新感受到手臂的触感。
　　此外，他们还打算借助机器学习等技术，使传感器输出的信号能够更加精准地模拟人类手臂的触感。 ＂可以预见的是，这些研究成果有望在几十年内成为医疗领域的一项重大突破，为失去肢体功能的人群带来更多的福音。＂ 邓维礼说。
　　参考资料：
　　1.Wang, S., Deng, W., Yang, T., Ao, Y., Zhang, H., Tian, G., ... & Yang, W. (2023). Bioinspired MXene‐Based Piezoresistive Sensor with Two‐stage Enhancement for Motion Capture. Advanced Functional Materials , 2214503.
　　2. Wang, S., Deng, W., Yang, T., Tian,G., Xiong, D., ... & Yang, W. (2023). Body-area sensor network featuring micropyramids for sports healthcare.  Nano Res . 16, 1330–1337 (2023). Nano Research , 16(1), 1330-1337.