压力感应作为人体皮肤的一种重要触觉之一，在人体与外界环境互动中发挥着关键性作用，为此，研究人员采用电子材料构建了类似皮肤的柔性压力传感器，以期模拟人体皮肤感应功能。虽然柔性压力传感器近年来获得迅速发展，然而要实现真正工程应用仍需解决以下问题：1）器件结构灵活性和响应时间多指标难以达成平衡；2）在宽压力范围内实现高灵敏度具有一定挑战性。因此，开发具有高灵敏度、宽检测范围、快速响应/恢复时间等综合性能的柔性压阻式压力传感器具有重要的现实意义。

鉴于此，课题组开发了一种适用于医疗可穿戴设备和软机器人的高灵敏度，宽范围，高动态MXene压阻式压力传感器。传感器采用了独特的微纳多尺度结合设计，将MXene纳米片的手风琴状层状纳米结构与砂纸转移的微突起结合。该独特设计显著增加结构的可压缩性和层间接触面积，从而增加压缩过程中的阻力变化，协同提高灵敏度、探测范围和动态性能，基于弹性变形理论的有限元分析验证了该结构的优异性能。

图1 微纳多级MXene压阻式压力传感器的结构原理及传感机理

  此外，还开发了一种基于砂纸铸造和氧等离子体处理的全溶液加工工艺，实现了界面高韧性粘接，可用于低成本的大面积制造。所制备的压力传感器具有3.94 kPa^-1的高灵敏度，0-117.5 kPa的宽范围，70/84 ms的快速响应和恢复速度，以及≥7500次循环测试的高耐久性等优异的综合性能。这种创新的微纳多级结构设计促进了柔性可穿戴压力传感技术在人体健康监测中的实际应用进展。

图2 微纳多级MXene压阻式压力传感器的性能测试

图3 MXene压阻式传感器在人体健康监测中的应用

图4 MXene压阻式压力传感器在软体机器人中的应用

为了进一步探索其在软机器人应用中的潜力，将柔性MXene传感器贴合在软执行器表面和机器鱼尾进行运动测量。将传感器固定在软机器人的中间部分，高灵敏的传感器能够动态响应执行器的弯曲角度并完成了狭窄管壁场景下碰撞反馈控制功能。同时，通过PU防水膜对MXene传感器进行封装，并将其附着在软机器鱼的尾部，用于水下运动和环境压力测试。在软机器鱼在游动过程中，传感器产生清晰稳定的电流输出，其响应速度可以覆盖0.5 ~ 1.5 Hz的不同游动频率。这些结果证明了MXene压阻式压力传感器在监测和调节软体机器人方面的巨大前景。

该文章以“Highly-sensitive, broad-range, and highly-dynamic MXene pressure sensors with multi-level nano-microstructures for healthcare and soft robots applications”为题近日在国际顶级刊物Chemical Engineering Journal上在线发表，影响因子15.1。博士生贾博清与西安交通大学仪器科学与技术学院李支康副教授为该论文共同第一作者，西安交通大学郑腾飞副教授、赵立波教授为共同通讯作者，

该研究工作得到了国家自然科学基金、重庆市自然科学基础研究、陕西省科技新星等项目的资助。

论文链接https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149750