近日，上海交通大學趙亞平教授和團隊設計并構建出一種新型石墨烯基壓阻傳感器。

該傳感器采用雙面金字塔結構石墨烯基氣凝膠作為傳感層、超疏水石墨烯尼龍織物為電極層，并利用 Ecoflex 橡膠框架作為彈性支撐體，成功實現了高靈敏度（37.3kPa?1）和寬線性范圍（0-1.4MPa），同時在 30000 次操作循環周期內表現出優良的穩定性。

（來源：Advanced Functional Materials）

結合實驗數據與有限元分析，課題組揭示了金字塔微結構與橡膠框架的協同作用對于傳感器靈敏度和線性傳感范圍的顯著促進作用。此外，他們還研究了傳感器的材料構成、結構特性以及傳感性能。

本次制備的全碳基壓阻傳感器具有高生物相容性、化學穩定性和環境可持續性，且制造工藝簡便，在生理信號監測、語音識別和人機交互等領域展現出廣闊的應用潛力。

未來幾年內，該傳感器將在以下應用中具有重要發展潛力：

在醫療健康監測方面，傳感器的柔性和透氣性使其可以無縫集成到電子皮膚或其他可穿戴設備中，以用于健康監測、虛擬現實互動以及身體姿態檢測。

在實時生理信號監測方面，它能以較高精度追蹤呼吸頻率、脈搏、關節運動等關鍵生理信號，為慢性病管理和健身人群的運動表現優化提供支持，是個人健康監控的高效工具。此外，傳感器還能捕捉人體的細微動作變化，特別適合術后患者或受傷人群的步態分析與康復監測。

在人機交互方面，檢測壓力信號傳感器可用于精確控制智能機器人、家用電器以及其他交互設備，從而用于工業自動化和服務機器人等更廣泛的領域，為其提供靈敏的壓力感知以支持復雜交互任務。此外，傳感器對聲波的高靈敏性使其適合于智能助手、汽車導航系統及遠程語音控制設備，為語音交互提供可靠解決方案。與此同時，傳感器陣列還可以通過壓力和位置的雙重認證機制，應用于金融系統及敏感信息處理場景，為用戶提供高水平的數據與身份安全保障。

總之，這些潛在應用場景表明：隨著技術的進一步優化與商業化推進，該傳感器將在多個高價值領域發揮重要作用，為醫療、智能化和信息安全等行業注入新的活力。

圖 | 趙亞平（來源：趙亞平）

本次研究基于數字健康與制造業的快速發展，以及下一代健康監測、人工智能、先進通信系統等領域對高性能核心器件的迫切需求。在眾多壓力傳感器類型中，壓阻傳感器因其結構簡單、信號輸出便捷、制造成本低、檢測范圍廣等優勢，正逐漸成為重要的市場增長點。

近年來，電子皮膚、人體運動監測、醫療器械、人機交互和智能機器人等前沿領域的快速崛起，對壓阻傳感器提出了更高的性能要求，不僅需要傳感器具備優異的可穿戴性，還要求其在多樣化應用場景中展現卓越的壓力感應能力。

目前的研究大多集中于通過新材料開發和結構設計創新來優化壓阻傳感器的性能參數，例如靈敏度、傳感范圍、響應/恢復時間、線性度和穩定性等。然而，現有的優化方案往往偏重于單一性能的提升，導致各性能指標之間存在相互制約的問題。

例如，通過優化傳感層的表面微結構設計可以顯著提高靈敏度，但卻可能限制傳感范圍；而增強材料的機械性能雖然能夠擴大檢測范圍和提升穩定性，卻可能犧牲靈敏度。因此，在可穿戴傳感器中實現高靈敏度和寬線性范圍的同時兼顧其他性能，成為該領域的一大技術瓶頸。

為應對這一挑戰，本研究聚焦于解決壓阻傳感器在高靈敏度和寬線性范圍方面的平衡難題。基于團隊在石墨烯穩定性和石墨烯氣凝膠材料方面的研究積累，充分利用石墨烯材料優異的導電性、機械性能及可調形貌特性，設計并構建了這種新型的全碳基壓阻傳感器。該傳感器實現了靈敏度與線性檢測范圍的雙重提升，為下一代高性能可穿戴傳感器技術的開發提供了解決方案。

就研究過程來說，在確定課題組方向之后，他們進行了深入的文獻調研和理論設計。借此發現傳感層的微觀結構優化可以顯著提升靈敏度，而結合機械支撐部件的結構設計能夠擴展線性傳感范圍。同時，選擇透氣、環保的織物基底，以及高柔性、低成本的非金屬材料作為電極層，進一步增強了傳感器的可穿戴性和實用性。

基于這些思考，他們提出一種多尺度設計方案。該方案具體包括：

• 以雙面金字塔結構的石墨烯基碳氣凝膠作為傳感層，以增強靈敏度和機械性能；
• 選用超疏水石墨烯涂層尼龍織物作為電極層，結合疏水處理和導電涂層，實現透氣與導電的統一；
• 使用 Ecoflex 硅膠框架提供高彈性支撐，提升傳感器的結構穩定性。

器件制備是實現傳感器性能優化的關鍵環節。該團隊在這一階段開發了一系列創新工藝。

首先，他們利用 3D 打印技術制作金字塔模具，結合快速冷凍和熱解工藝，成功制備出雙面金字塔碳氣凝膠，借此提升了傳感層的機械強度和導電性能。

其次，他們對尼龍織物表面進行氧等離子體活化，通過氧等離子體活化尼龍織物表面，并通過甲基三氯硅烷進行疏水處理，隨后加入石墨烯涂層，制備出兼具透氣性和導電性的超疏水織物構建的電極層。此外，他們通過定制模具，采用 Ecoflex 硅膠材料制備出高彈性框架，為器件提供了可靠的機械支撐。

在器件組裝過程中，課題組將雙面金字塔碳氣凝膠嵌入硅膠框架內，并用超疏水石墨烯涂層尼龍織物封裝，形成三明治結構的傳感器。通過優化組件粘接工藝后，傳感器展示出高靈敏度（37.3kPa?1）、寬線性范圍（0–1.4MPa）以及超過 30,000 次循環的優異穩定性。

在完成性能測試之后，他們進一步探索了傳感器的實際應用潛力。借此發現，在醫療健康監測傳感器可實時捕捉呼吸、講話和關節運動等生理信號，適用于健康監測和康復評估。其柔性與透氣性使其可無縫集成至電子皮膚或可穿戴設備中。結合傳感器對聲波的高靈敏性，他們開發了基于隨機森林分類模型和 t-SNE 降維技術的語音識別系統，顯著提升了其在復雜環境下的信號分類能力。

同時，其利用傳感器陣列實現位置與壓力的雙因素認證，大幅提高了信息安全的防護等級，為敏感數據和身份驗證提供了更高級別的保護。這些探索展示了傳感器在多領域的應用前景。

通過以上階段的系統推進，本次研究不僅解決了壓阻傳感器領域的核心技術難題，也為多種實際應用場景提供了可能性，為下一代傳感器的發展提供了解決方案。

日前，相關論文以《全碳壓阻式傳感器：通過多尺度設計增強靈敏度和寬線性范圍，適用于可穿戴應用》（All-Carbon Piezoresistive Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide Linear Range via Multiscale Design for Wearable Applications）為題發在Advanced Functional Materials[1]。

上海交通大學博士生向麒璇是第一作者，上海交通大學趙亞平教授和譚慧君助理研究員擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）

目前，他們已經擬定了以下幾個主要方向來拓展研究工作，以進一步提升傳感器性能，并探索其更廣泛的潛在應用場景。

首先，他們希望通過跨學科合作，開發醫療傳感器。研發具有高靈敏度、生物相容性和長期穩定性的體內植入式醫療傳感器。這類傳感器不僅需要滿足高靈敏度和穩定性的要求，還需具備良好的生物相容性，以確保在人體內長期使用時的安全性和可靠性。因此，他們將重點研究如何優化傳感器的結構設計與材料選擇，以便提高其在體內和體外生理信號監測中的性能。

圖｜向麒璇（來源：向麒璇）

其次，他們計劃將傳感器與無線傳輸技術相結合，探索用于實時測量和記錄體內的壓力數據，并通過無線方式傳輸給外部設備。實現疾病的早期診斷、精準治療和長期管理。

再次，他們也計劃利用先進的機器學習算法和大規模數據集，優化傳感器信號分類的準確性，提升在高噪聲環境下的信號捕捉與處理能力。探索信號可逆轉換功能（如電信號到聲音，或聲音到文字的實時轉換），為語音交互和人機協作提供更靈活的解決方案。

最后，該團隊的長期目標是通過持續優化傳感器的結構設計、材料選擇及信號處理能力，結合跨學科的合作與技術創新，他們希望推動下一代智能傳感器技術的開發和實際應用。

參考資料：

1.Xiang, Q., Zhao, G., Tang, T., Zhang, H., Liu, Z., Zhang, X., ... & Tan, H. (2024). All‐Carbon Piezoresistive Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide Linear Range via Multiscale Design for Wearable Applications.Advanced Functional Materials, 2418706.

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