首创混合响应柔性压力传感器，为人把脉，将为机器人打造人类触觉现任德克萨斯大学奥斯汀分校

现任德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）天普基金会特聘终身教授的鲁南姝认为，人类科技的发展趋势一定是机器越来越像人，人越来越像机器。 “人工智能时代，人机融合具有必然性，否则将与时代脱节”SpaceXCEO伊隆·马斯克在2017年世界政府峰会上的发言令鲁南姝印象深刻。

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（来源：Pixabay）
近年来，柔性可穿戴设备在监测人体生物信号方面的研究取得长足进步，使用柔性贴片随时随地监测血压、脉搏指日可待。然而，现有可穿戴压力传感器存在一个大问题：高灵敏度与宽域工作范围无法兼得。即使是非常轻微的压力，都会使传感器的灵敏度大幅下降。
“柔性压力传感器赛道非常拥挤，经过二十年的发展，研究遇到瓶颈，因为仍然没有很好的办法能够解决压力和灵敏度之间的矛盾， ”鲁南姝说。
近期，鲁南姝带领的团队通过创新有史以来第一个混合传感器方法来填补这一空白， “这是第一个利用压阻-压容混合响应来承受压力而不显著降低灵敏度的传感器。 ”她向DeepTech表示。
首次将电容与电阻结合，平衡压力宽域与灵敏程度
鲁南姝课题组发明的“复合响应”压力传感器（hybridresponsepressuresensor,HRPS）近期在AdvancedMaterials上发表。
通过导电的多孔状微结构与超薄绝缘层的结合，研究员们首次发现分布式压电电阻和压电电容的混合响应能够使得柔性压力传感器兼具高灵敏度和宽域工作范围。小至一种果蝇的重量（0.07pa），大到人脚踏步所产生的压力（125kPa），都可以被灵敏地感应到。

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图|“复合响应”压力传感器（hybridresponsepressuresensor,HRPS）
据介绍，该传感器是由一种超高孔隙率的导电纳米复合材料（porousnanocomposite,PNC），超薄绝缘层（PMMA）以及Au/PI电极复合而成。其中，多孔纳米复合材料（PNC）由碳纳米管（carbonnanotube,CNT）掺杂的Ecoflex硅胶构成。

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图|复合响应压力传感器HRPS应用演示。
为了展示传感器对微小压力信号的灵敏程度，研究人员测量了一只仅有0.7毫克重的果蝇、传感器上方3cm处的鼓风机吹出的气流、三个连续降落的水滴，以及人体颈动脉和颞动脉的脉搏跳动。
实验结果显示， HRPS对果蝇自重带来的仅有0.07Pa的压力，以及微小气流、水滴滴落时引起的压力响应准确且迅速，响应时间仅为94毫秒。
在健康监测方面，鲁南姝课题组的成员此次将柔软、轻薄的HRPS贴附在受试者颈动脉，可清晰探测到脉搏波动。颈动脉和额颞动脉属于细微搏动，其测量对设备的灵敏度要求极高。

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哪怕事先在传感器上施加额外压力，比如为受试者戴上虚拟现实（VR）头盔，对HRPS产生了8kPa的预压力，颞动脉搏动信号仍然能够被清晰测得。
“这是颞动脉搏动信号首次由电容式压力传感器无创地测量得到。 ”鲁南姝说道。
在对高压力的测量中， HRPS也表现出良好的灵敏度。论文的补充视频中，小组成员将HRPS贴在一位体重为80kg的受试者的脚掌上，测量其在瑜伽垫上行走产生的压强，最终测量的最大记录值为125kPa ，这一数字与此前其他研究测得人脚行走产生的压强一致。
此次研究主要展示了HRPS在人体健康监测上的应用，除此之外，鲁南姝对他们研制的柔性传感器还有更宏伟的愿景。她正在研究如何将这种柔性传感器包裹在其他柔软物体上（如机器人手），使其具有人类皮肤的敏感性。通过模拟人类真实的触感，让机器人拥有通过触摸来识别物体的能力。