首創(chuàng)混合響應柔性壓力傳感器，為人把脈，也將為機器人打造人類觸覺

近年來，柔性可穿戴設備在監(jiān)測人體生物信號方面的研究取得長足進步，使用柔性貼片隨時隨地監(jiān)測血壓、脈搏指日可待。然而，現(xiàn)有可穿戴壓力傳感器存在一個大問題：高靈敏度與寬域工作范圍無法兼得。即使是非常輕微的壓力，都會使傳感器的靈敏度大幅下降。

“柔性壓力傳感器賽道非常擁擠，經(jīng)過20年的發(fā)展，研究遇到瓶頸，因為仍然沒有很好的辦法能夠解決壓力和靈敏度之間的矛盾，”魯南姝說。

近期，魯南姝帶領的團隊通過創(chuàng)新有史以來第一個混合傳感器方法來填補這一空白，“這是第一個利用壓阻-壓容混合響應來承受壓力而不顯著降低靈敏度的傳感器。”她表示。

魯南姝課題組發(fā)明的“復合響應”壓力傳感器近期在《先進材料》上發(fā)表。

通過導電的多孔狀微結構與超薄絕緣層的結合，研究員們首次發(fā)現(xiàn)分布式壓電電阻和壓電電容的混合響應能夠使得柔性壓力傳感器兼具高靈敏度和寬域工作范圍。小至一種果蠅的重量（0.07pa），大到人腳踏步所產生的壓力（125kPa），都可以被靈敏地感應到。

據(jù)介紹，該傳感器是由一種超高孔隙率的導電納米復合材料（porous nanocomposite，PNC），超薄絕緣層以及Au/PI電極復合而成。其中，多孔納米復合材料（PNC）由碳納米管（carbon nanotube，CNT）摻雜的Ecoflex硅膠構成。

復合響應壓力傳感器HRPS應用演示

受試者戴上虛擬現(xiàn)實（VR）頭盔，對HRPS產生了8kPa的預壓力，顳動脈搏動信號仍然能夠被清晰測得

為了展示傳感器對微小壓力信號的靈敏程度，研究人員測量了一只僅有0.7毫克重的果蠅、傳感器上方3厘米處的鼓風機吹出的氣流、三個連續(xù)降落的水滴，以及人體頸動脈和顳動脈的脈搏跳動。

實驗結果顯示，“復合響應”壓力傳感器對果蠅自重帶來的僅有0.07kPa的壓力，以及微小氣流、水滴滴落時引起的壓力響應準確且迅速，響應時間僅為94毫秒。

在健康監(jiān)測方面，魯南姝課題組的成員此次將柔軟、輕薄的“復合響應”壓力傳感器貼附在受試者頸動脈，可清晰探測到脈搏波動。頸動脈和額顳動脈屬于細微搏動，其測量對設備的靈敏度要求極高。

哪怕事先在傳感器上施加額外壓力，比如為受試者戴上虛擬現(xiàn)實頭盔，對“復合響應”壓力傳感器產生了8kPa的預壓力，顳動脈搏動信號仍然能夠被清晰測得。

“這是顳動脈搏動信號首次由電容式壓力傳感器無創(chuàng)地測量得到?！濒斈湘f道。

在對高壓力的測量中，“復合響應”壓力傳感器也表現(xiàn)出良好的靈敏度。論文的補充視頻中，小組成員將“復合響應”壓力傳感器貼在一位體重為80kg的受試者的腳掌上，測量其在瑜伽墊上行走產生的壓強，最終測量的最大記錄值為125kPa，這一數(shù)字與此前其他研究測得人腳行走產生的壓強一致。

此次研究主要展示了“復合響應”壓力傳感器在人體健康監(jiān)測上的應用，除此之外，魯南姝對他們研制的柔性傳感器還有更宏偉的愿景。她正在研究如何將這種柔性傳感器包裹在其他柔軟物體上（如機器人手），使其具有人類皮膚的敏感性。通過模擬人類真實的觸感，讓機器人擁有通過觸摸來識別物體的能力。

2012年，魯南殊憑借“電子紋身”的發(fā)明入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”全球區(qū)域的榜單評選。

傳統(tǒng)的智能穿戴設備體積較大，攜帶不便，穿戴舒適度欠佳。而“電子紋身”具有無創(chuàng)、輕薄以及極佳的形變能力，并將心電，肌電，腦電等多種身體信息傳輸?shù)绞謾C、電腦等終端。這種一次性電子貼片在醫(yī)療或人機交互領域都具有極大的市場前景，被認為是“可穿戴設備的終極傳感器形態(tài)”。

多層、模塊化“電子紋身”可實現(xiàn)無線充電和無線數(shù)據(jù)傳輸

魯南姝曾于清華大學和哈佛大學分別取得了學士學位和博士學位，后來在伊利諾伊大學香檳分校以貝克曼博士后研究員身份開展工作。她的研究領域涉及柔性電子的力學、材料、制造和人體集成等多個方向。

當下，魯南姝從兩方面來建構自己的科研大廈，一是電子紋身，輕薄、柔軟的特性使其能夠良好貼合人體皮膚，捕捉生物信號，傳感人類的生命體征。人體是一種模擬生物信號系統(tǒng)，而機器和電子世界則是數(shù)字的。因此若想實現(xiàn)人機交互，人需要“數(shù)字化”，“電子紋身”被認為是人類“數(shù)字化”的有效途徑之一。

多層、模塊化“電子紋身”可實現(xiàn)無線充電和無線數(shù)據(jù)傳輸

另一個是電子皮膚，通過柔性壓力、溫度等傳感器，讓軟機器人擁有類似于人類皮膚的敏感性，賦予其生動的觸覺、視覺、聽覺、味覺和嗅覺等感知能力。此次發(fā)表的研究便是一種新型的混合相應電子皮膚，拓寬傳感器的壓力工作范圍，并保持觸覺靈敏度。

魯南姝的終極目標是能夠完成人機交互的閉環(huán)：人體通過電子紋身實現(xiàn)與數(shù)字世界的鏈接，機器人則通過電子皮膚模擬人類感知環(huán)境。因此，她的團隊一直圍繞“柔性生物電子系統(tǒng)”在以下四個方面展開研究：

第一是柔性/可拉伸結結構力學研究。如被動型和主動型（壓電）蜿蜒帶狀結構的變形機理以及由于多層柔性電子的層間楊氏模量失配導致的上下層彎曲解耦。

第二是二維材料和納米材料，包括石墨烯電子紋身，二維材料形成的納米氣泡和納米帳篷機理，以及PNC。

第三是制備工藝和轉印技術，包括無線電子紋身的“切割—焊接—粘貼”工藝和水輔助轉印。

第四是生物-電子界面，包括器件與不平生物組織表面的共形機理，受剪紙啟發(fā)的可共形人造視網(wǎng)膜，以及表面凹坑陣列帶來的穩(wěn)定且可重復使用的干性粘結界面。

在問到自己最期待的應用場景時，魯南姝說道：“我個人偏向于醫(yī)療方向的應用，尤其是養(yǎng)老”談到養(yǎng)老問題時，她有些許的動容，并用到“鞭長莫及”來形容。

魯南姝的奶奶、外公、外婆已年近百歲，但她長期在國外，受疫情的影響無法隨時回到國內照顧家中的父母與老人。通過電子紋身實時監(jiān)測老人活動與健康，通過機器人護工彌補有的巨大缺口和市場的養(yǎng)老問題，是魯南姝所期待的未來，“在欠發(fā)達地區(qū)，護工非常缺乏，有能力且溫柔的護工更是。為機器人制作電子皮膚，讓其擁有匹敵人類的溫柔與觸感，將能很大程度上緩解這類職業(yè)缺口。”被問及人工智能取代人類工作的問題時，魯南姝說：“人類情感交流不可替代，但事務性工作可以。”

中社科院老年研究所估計，中國養(yǎng)老市場的商機約4萬億元，到2030年有望增至13萬億元。“養(yǎng)老服務業(yè)在凸顯出民生事業(yè)特征的同時也彰顯出其作為朝陽產業(yè)的巨大吸引力?！?/p>

第7次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國65歲以上的老齡人口達到1.9億人，占比達13.5%，中國正在加速進入老齡化社會。傳統(tǒng)養(yǎng)老模式已無法全盤適應當前需求，通過科技手段尋求新型多元復合治理方案解決老年人多層次需求成為必然趨勢，魯南姝以及其他科研人員的研究，將會是未來“智慧養(yǎng)老”圖景不可或缺的一小片拼圖。（綜合整理報道）（編輯/小美）