柔性可穿戴壓力傳感器作為一類快速發展的器件，因其在電子皮膚（E-skin）、個性化醫療和智能機器人等領域的廣泛應用潛力，引起了學術界和工業界的廣泛關注，預示著新一代人機交互（HMI）的到來。在眾多關鍵性能指標中，靈敏度和線性度尤為重要，但如何同時提升這兩項指標仍然是實現精確生理監測和穩定輸出（可穿戴HMI所需）的核心挑戰。迄今為止，人們已投入大量精力來研發先進材料和微結構，以期兼顧這兩項指標。例如，Cheng等人報道了一種可編程微結構策略，該策略與超薄離子層相結合，制備出具有超高靈敏度和兆帕級線性范圍的電容式傳感器，非常適合用于極端負載監測。在實際可穿戴人機交互（HMI）和以人體為中心的傳感場景中，壓力輸入本質上源于生理活動，例如皮膚接觸、肌肉收縮、關節運動和步態，且大多處于低于 200 kPa 的實用范圍內。因此，“生理范圍壓力”指的是典型人體生理活動期間產生的壓力水平，其范圍從脈搏和呼吸等細微信號的幾十帕斯卡到劇烈運動時關節負荷和足底壓力的幾百千帕斯卡。因此，對于可靠的、定量的可穿戴界面而言，能夠同時轉換微弱生命體征和大幅度運動狀態的壓力傳感器至關重要。這些壓力傳感器需要在低壓范圍內提供超高靈敏度，同時在高壓下保持穩定、近似線性的響應和足夠的靈敏度。

基于壓阻式、電容式、壓電式、摩擦電式、電化學式和離子梯度驅動機制的柔性可穿戴壓力傳感器已被廣泛研究，這些機制共同為自供電運行、寬壓力范圍和在電子皮膚和人機界面中的共形集成提供了廣闊的設計空間。自供電壓電式和摩擦電式壓力傳感器無需外部電源即可將機械刺激直接轉換為電信號，從而實現在可穿戴和植入式系統中實現本質上的自供電運行。由于其直接的機械-電能轉換以及能夠收集環境機械能以同時進行發電和壓力傳感，這些器件受到了廣泛的研究。電化學和基于離子梯度的壓力傳感器為高靈敏度檢測微小壓力變化提供了一個多功能平臺，這得益于離子傳輸和界面電荷調制，這對于生物相關應用和柔性電子產品尤其具有吸引力。然而，這些自供電和基于電化學/離子梯度的傳感器的實際應用通常需要相對復雜的信號調節電路和精密的器件封裝，以解決阻抗匹配、環境敏感性和長期穩定性等問題。在這些不同的平臺中，壓阻式壓力傳感器尤其具有吸引力，因為它們天然地結合了高靈敏度、簡單的器件結構、低成本和穩健的運行穩定性，這對于可靠地監測微弱的生理信號以及長期的人機界面應用至關重要。然而，當傳感器設計基于單個參數而不是協同優化關鍵要素（例如電導率、機械模量或微觀結構）時，在超寬壓力范圍內實現高靈敏度和線性響應仍然具有挑戰性。柔性壓阻式傳感器的工作原理在于調節導電通路，例如在受到外部壓力時調節接觸電阻或隧道電阻。特別是，合理設計電導率、模量和幾何形狀的垂直或平面梯度，為精確控制壓力下導電通路的演變提供了一條有效途徑，從而在超寬檢測范圍內協同提高靈敏度和線性度。例如，Zhang 等人報道了一種基于紙張的壓阻式傳感器，該傳感器采用雙面導電結構，包含雙層纖維素納米纖維/碳納米管（CNT）敏感層，實現了0-3800 kPa的超寬檢測范圍和4.11 kPa?1的靈敏度，非常適合精確的健康監測和步態分析。這種單參數電導率梯度確實可以拓寬線性范圍；然而，由于難以同時引入接觸構型和/或機械模量的梯度，初始電流仍然相對較大，使得進一步提高靈敏度變得困難。此外，通過將導電填料涂覆或嵌入彈性基底中，并進一步集成微工程結構，例如微金字塔、微柱、微圓頂陣列（MDA）或微纖毛陣列，可以在傳感層內建立有效的模量梯度，從而協同增強線性和靈敏度。然而，這種基于模量梯度的設計通常依賴于在高應變下工作的高縱橫比微結構，因此軟區域在高壓下會迅速被完全壓縮，導致響應飽和，并限制了在高壓范圍內的性能提升。因此，僅調節電導率、模量或幾何形狀不足以顯著提高器件的整體性能。為了解決這些局限性，人們探索了激光圖案化和多層梯度結構等先進策略來提高靈敏度和線性度，但這些方法不可避免地增加了制造復雜性和成本，因為它們需要額外的加工步驟和專用設備。與此同時，近年來，將碳納米管（CNT）摻入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，并結合微結構的復制成型，已成為一種重要的策略，也是大規模制造柔性壓阻傳感器的可擴展途徑，并且可以通過改變碳納米管的含量輕松調節復合材料的電導率。因此，在單個模板中實現模量、電導率和幾何形狀的同時調制，從而協同優化線性和靈敏度，是實現低成本、可擴展制造高性能壓力傳感器的關鍵一步。

長期以來，大自然一直是取之不盡的靈感源泉。通過利用或模仿生物系統中已有的結構基序，研究人員能夠設計出集成多種功能并顯著提升柔性壓力傳感器性能的改進方案。近年來，將受樹葉或花瓣啟發的非傳統微結構基序與以人體皮膚為例的梯度調節原理相結合，已成為提高傳感器性能的有效策略。因此，利用自然界獨特的結構特征并將其與既有的設計原理相結合，為優化柔性壓力傳感器的性能提供了一條強有力的途徑。葫蘆狀結構具有固有的結構優勢，因為它由兩個尺寸不同的圓頂部分組成。目前，模仿這種幾何形狀的研究主要集中在光纖傳感領域，例如使用熔融拉錐等技術將圓柱形光纖重塑成葫蘆狀輪廓以提高靈敏度。在電學領域，特別是在可穿戴壓阻器件中，葫蘆狀結構的潛力尚未得到充分探索。因此，人們越來越關注對葫蘆狀結構的仿生研究，其中對幾何尺寸、機械模量和電導率的同步調節被認為是實現靈敏度和線性度在實際壓力范圍內協同提升的有效途徑。

本文亮點

1. 本工作展示了如何利用葫蘆形微圓頂陣列（GSDA）實現靈敏度和線性度的協同優化，該陣列在單個單元內集成了三個協同梯度（模量、電導率和幾何形狀）。

2. 該單元由一個導電率較低的實心上圓頂（直徑較小）和一個導電率較高的多孔下圓頂（直徑較大）組成。在機械加載下，較大的模量對比度驅動上圓頂嵌入多孔層，從而快速增大實際接觸面積并縮短電隧道間隙。

3. 上微圓頂（MD）的嵌入過程會產生串聯到并聯的電學轉變，從而抑制早期信號飽和。優化后的器件在高達 210 kPa 的壓力下仍保持線性響應，靈敏度為 534.9 kPa?1。

4. 通過建立一致的強度映射，我們表明 GSDA 可以作為傳感單元或陣列組件，應用于各種領域，例如觸覺監測、密碼編碼、莫爾斯電碼、機器人控制和有效的手語識別。

圖文解析

圖1. (a) 葫蘆形結構的示意圖，其上部為小尺寸、高模量部分，下部為大尺寸、低模量部分。掃描電子顯微鏡圖像顯示了具有不同材料特性的8% CNT/PDMS固體和10% CNT/PDMS多孔圓頂。“E”代表模量，“σ”代表電導率。(b) 壓力傳感器在力增加時的響應示意圖，顯示隨著壓力的增加，更多神經元被逐漸激活。(c) 單一微結構和復合微結構的比較。(d) 突出顯示GSDA的優勢，其上部為小尺寸、高模量部分，下部為大尺寸、低模量部分。(e) 顯示傳感器在不同力（+0、+10、+50、+200 kPa）作用下從靜止狀態到重度壓縮狀態的變形圖像。(f) 在輕度、中度和重度力作用階段發生的串并聯轉換機制的示意圖。電阻（Rs和Rl）組合形成總電阻（Rtotal），該電阻隨施加到傳感器上的力而變化。(g) 利用GSDA和兩個柔性電極的傳感器裝置示意圖。

圖2. (a) 不同微結構的示意圖比較，包括固體圓頂、多孔圓頂和GSDA。(b) 比較不同結構的靈敏度和線性范圍的柱狀圖，突出顯示優化后的GSDA傳感器具有最高的綜合性能（LSF = 112350）。(c) 歸一化電流變化（ΔI/I0）與壓力的關系圖，顯示在高達210 kPa的壓力范圍內具有出色的線性度，靈敏度為534.9 kPa?1，R2 = 0.99。(d) GSDA中可調設計變量的示意圖，包括上部和下部圓頂的電導率、模量和尺寸。(e) 上部圓頂電導率對壓力響應的影響。(f) 不同PDMS:糖比例和圓頂尺寸比例下的壓縮體積比較。(g) 不同PDMS:糖比例下的ΔI/I0與壓力的關系圖，顯示更高的孔隙率由于增強的可壓縮性而導致壓力靈敏度提高。(h) 不同頂部/底部圓頂尺寸比例下的ΔI/I0與壓力的關系圖。 (i) 對近期研究中基于MCA的代表性壓力傳感器在0-200 kPa壓力范圍內的靈敏度進行比較，突出顯示優化后的GSDA在該實際壓力范圍內的領先性能。

圖3. (a) 在1至5 kPa低壓范圍內進行階梯式加載傳感。 (b) 在10至25 kPa中壓范圍內進行階梯式加載傳感。 (c) 在100至200 kPa高壓范圍內進行階梯式加載傳感。 (d) 在50 Pa脈沖下的代表性曲線顯示響應時間為17 ms，弛豫時間為15 ms。 (e) 對25 μL去離子水液滴進行傳感，對應壓力約為7 Pa。 (f) 環境魯棒性。在20至60°C溫度、20–80%相對濕度和50 g（5 kPa）靜態載荷下，ΔI/I0的漂移極小（<1%）。 (g) 五個獨立樣品在0-200 kPa范圍內表現出高度重疊的ΔI/I0-壓力曲線，平均靈敏度為539.7 kPa?1，相對標準偏差為3.25%。 (h) 升壓和降壓掃描的滯后誤差為3.81%。 (i) 在220 kPa壓力下進行9000次循環的長期疲勞測試。 (j) 短暫的氣流脈沖會在歸一化電流變化中產生尖銳的高信噪比峰值，表明其對微小壓力刺激的敏感性，并且每個脈沖后基線穩定且快速恢復。 (k) 隨著握力的增加以及添加10、20和50 g的重量，觀察到ΔI/I0呈現分級平臺。 (l) ΔI/I0隨關節角度（30°、60°、90°）單調上升，并在釋放后恢復。 (m) 踩踏/抬起動作在寬壓力范圍內產生線性階梯式ΔI/I0響應。

圖4. 在可穿戴傳感領域的潛在應用。(a) 應用概述展示了 GSDAs 壓阻器件的典型用途，包括脈搏監測、人機交互和運動追蹤。(b) 脈搏監測顯示成年女性（約 85 次/分鐘）的逐搏歸一化電流變化 (ΔI/I0)，證明了對微弱生理壓力的穩定檢測。(c) 呼吸監測顯示 ΔI/I0 周期約為 24 次/分鐘，基線穩定，驗證了對緩慢低壓信號的可靠追蹤。(d) 帕金森氏癥震顫檢測顯示 4-6 Hz 的震顫表現為一系列窄的 ΔI/I0 尖峰，表明對病理性運動具有高時間保真度。(e) 鼠標控制顯示單擊、雙擊和長按手勢在 ΔI/I0 中產生可區分的時間特征。(f) 持續時間調節編碼（示意圖）顯示短按 (t0) 和長按 (t0+Δt) 作為點劃指令的時間域分隔符。(g) 摩爾斯電碼演示顯示使用短按/長按重構“U”和“M”。(h) 運動追蹤顯示站立、行走、跳躍和跑步在寬壓力范圍內具有可重復的波形。

圖5. (a) 人機交互概述。從輕到重的按壓對應于逐漸增大的輸出幅度。(b) 圓珠筆書寫機制示意圖。(c) 類似于圓珠筆尖，固體上層 MD 在壓力下嵌入多孔下層 MD，快速增加實際接觸面積和并聯導電通路數量，從而使 ΔI/I0 逐步上升。(d) 強度和位置的聯合編碼。分級按壓級別與電極索引相結合形成二維陣列，編碼容量隨電極數量 n 以 2n 的速度增長。(e) 密碼解鎖顯示通過信號處理流程結合輸入位置和強度來驗證預設代碼“1-2-3-4”。(f) 摩爾斯電碼輸入和無線解碼。設備表面的兩個按壓級別分別觸發點和劃。(g) 機械手的多級強度控制。設備表面的四個預設按壓級別 (L1-L4) 分別觸發單指伸展。 (h) 五個GSDAs傳感器分別貼在手指關節上，當手指從伸展狀態彎曲到完全屈曲狀態時，每個通道的ΔI/I0值單調遞增，用于顯示字母“U”和“M”。(i) 手語字母U和M的手指通道輸出。ΔI/I0值隨手指彎曲程度單調遞增。

審核編輯 黃宇