柔性传感：应用于泛在表面智能交互的前沿电子技术

柔性传感技术能够为新一代人工智能方向提供强有力的技术支持，创造新的消费引擎，重构相关领域的生产、交换、消费等经济活动，催生新技术、新产品、新产业，引发传感器产业重大变革。我院青年学者刘平课题组围绕柔性传感技术与通用人工智能应用开展了系列工作，主要包括以下内容：

（1）柔性压力敏感材料

课题组在柔性压力敏感材料体系仿真模拟方面开展了系列工作，构建了弹性力学模型与通用有效介质模型、复合导电高分子的应力-电阻模型和温度-电阻模型，量化了柔性压力传感器的工作原理、灵敏度、非线性等静态特性指标与填料体积分数的关系，揭示了碳填料结构参数与复合导电材料体系宏观导电特性的内在关联机制，系统研究了复合导电高分子中几何协同效应、电学协同效应、压阻效应，首次提出电学协同效应中的电学增强型效应可以与较高的应变灵敏度系数共存。如图1（a-c）所示。还制备了基于碳材料的多种柔性复合压敏导电材料，系统探究了碳填料组合选取与优化、填料-基体界面结合、制备方法与复合工艺等关键技术，如图1（d-e）所示。近期，又发展了基于PEDOT:PSS的柔性复合导电材料制备方法，探索加入表面活性剂、盐、两性离子和酸性溶剂对PEDOT:PSS电导率的改性机理，成功制备得到水性聚氨酯改性PEDOT:PSS薄膜以及聚乙烯醇改性PEDOT:PSS薄膜，相关研究结果见图1（f-g）。

图1 电阻式柔性压力敏感材料体系理论研究与实验制备工作基础

（2）柔性器件微纳共形力敏界面

设计了如网格、吸盘、方台、三维骨架等微纳结构，如图2（a-d）所示。发现微纳结构可以提升传感性能，发明了基于双应变层结合裂纹结构的电阻式超灵敏宽工作范围应变传感器，部分研究如图2（e-g）所示。研究表明，双应变敏感层结合裂纹结构可以构筑超灵敏和高重复性力敏传导通路，灵敏系数可高达2000。

图2 柔性器件微纳共形力敏界面设计与制备及特性研究基础

（3）高性能柔性力敏传感器

围绕电阻式原理和电容式原理开展了柔性力学传感器、三维力传感器、接近觉-触觉复合传感器和温度传感器等一系列工作，见图3（a-d）。借助丝网印刷工艺制作双应变敏感层结合裂纹结构的力学传感器，并分析了网版目数和刮板角度等对传感器性能的影响，如图3（e-h）所示。所制备的传感器GF高达2000，重复性好、迟滞回差小（7.1%）、响应时间短（约70毫秒）。

图3 柔性力敏传感器的设计与制备及特性研究基础

（4）柔性压力传感电子系统

基于石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电材料，研制了12×12小规模电阻式压力传感阵列器件，见图4（a）。提出一种可用于机器人皮肤的全柔性电容式压力传感阵列，并设计成正方形触觉传感阵列和可拼接式阵列结构，见图4（b-c）。设计了基于指尖压力感知的无袖带人体血压动态估计系统，见如图4（d）。制备5×5压力敏感电子皮肤并集成到柔性触觉手指，可用于Robotiq 2F-85夹取插头作业，见图4（e）。设计多个触觉传感器阵列安装于机器人多指灵巧手上，见图4（f）。设计谐振式三维力传感器并安装在机器手上，监测抓取作业过程中的机械手受力状态及被抓取物体的重力变化，识别准确率达92.5%，见图4（g）。将织物压敏单元应用于足底压力信息的时空分布监测，可用于步态分析，见图4（h）。

图4 柔性压力传感电子系统设计基础

（5）可穿戴场景驱动的系统

将安装于膝关节的传感器采集的信号通过数据预处理后传输至微控制器中，利用支持向量机分类算法识别六种运动模式，整体识别准确率在70%以上，见图5（a）。将柔性传感器编织到衣物中来检测心脏的跳动，配合傅里叶变换和希尔伯特-黄算法可以获取人体的呼吸率和心率，误差分别小于2%和3%，见图5（b）。基于卷积神经网络自动提取脉搏波的特征，利用长短期记忆神经网络将前后特征相互关联，再使用全连接网络层预测当前血压值，所预测的血压结果符合美国医疗器械协会和英国高血压协会的A级标准，见图5（c）。

图5 可穿戴场景驱动的系统应用及智能算法构建研究基础

近年来，课题组获得中国石油和化学工业联合会技术发明三等奖（2024），浙江省科学技术进步二等奖（2021、2020），科技部全国颠覆性技术创新大赛优秀项目（2021），充分展现了在柔性传感技术与通用人工智能应用领域的科研实力和学术影响力。

图6 部分获奖证书