柔性壓力傳感器可檢測到細微的機械刺激，因此適用于人體健康監測與運動分析領域的可穿戴傳感器。然而，現有的傳感器普遍存在靈敏度不足、耐久性較差、穩定性欠佳等問題。據麥姆斯咨詢報道，近期，日本信州大學Chunhong Zhu副教授領導的研究團隊受貓須啟發，研發出一款新型生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠（BFA）柔性壓力傳感器。該柔性壓力傳感器不僅展現出優異的壓力敏感性、耐久性與快速響應能力，同時適用于人體生理監測與運動分析。相關研究成果以“Cat-Vibrissa-Inspired Biomass Fiber Aerogels for Flexible and Highly Sensitive Sensors in Monitoring Human Sport”為題，發表于Advanced Functional Materials期刊上。
受貓須啟發的柔性壓力傳感器的概念、設計與制備
在健康監測、運動分析及人機交互領域，可穿戴傳感器發展迅速，這使得能檢測細微的機械刺激的柔性壓力傳感器需求大幅增長。其中，壓阻式傳感器因結構簡單、信號讀取便捷、集成能力優異，備受研究人員關注。但傳統的壓阻式傳感器設計存在缺陷：長期使用時對形變的適應性較差，靈敏度不足，進而導致耐久性與穩定性受損。
近年來，碳氣凝膠（包括石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、生物質基碳氣凝膠及MXene 氣凝膠）憑借超輕質量、優異導電性與超大比表面積，成為極具潛力的替代材料。其中，生物質基氣凝膠因其環保性佳、可持續性強且機械穩定性優異，應用前景尤為廣闊。
然而，這類氣凝膠的制備依賴高溫、高能耗工藝；此外，傳統的后處理修飾不僅會影響其長期穩定性與靈敏度，還會限制規模化生產。
為了解決這些問題，日本信州大學Chunhong Zhu副教授領導的研究團隊，研發出了一種受貓須啟發的生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠，該材料可用于柔性壓力傳感器。
受貓須啟發，研究人員通過前體輔助原位聚合與冷凍協同組裝技術，研發出仿生生物質PHF/海藻酸鈉氣凝膠（BFA）。這類超輕多孔壓力傳感器兼具高靈敏度與優異耐久性，可實現脈搏檢測、手寫識別、摩爾斯電碼傳輸，尤其能對羽毛球運動進行實時監測，為智能可穿戴運動類電子設備提供了可持續解決方案。該柔性壓力傳感器可有效應用于人體生理監測及運動中的動作分析。
Chunhong Zhu解釋說：“貓以其非凡的敏捷性和感官敏銳度著稱，而它們高度依賴自身發達的感官系統，以此實現空間感知。貓的胡須，是堅韌且高度靈敏的觸覺探測器，它們深深嵌入名為‘毛囊-竇狀復合體（FSC）’的特殊結構中，該結構能放大微弱的機械信號，并將其轉化為神經刺激，使貓甚至能感知到周圍環境中最細微的壓力變化。我們研究的生物質纖維氣凝膠，同時模仿了貓的胡須與毛囊-竇狀復合體，因此具備出色的靈敏度與穩定性。”
研究人員使用長尺寸，高強度，高韌性且環保的大麻微纖維（HF），作為構建生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠的纖維基質。首先，將大麻微纖維與聚苯胺進行原位聚合反應，形成均勻的導電涂層，該涂層可有效提升材料的耐久性與界面結合力。隨后，將聚苯胺包覆的大麻微纖維與作為功能粘合劑的海藻酸鈉復合，通過冷凍協同組裝策略，制備出高孔隙率、超輕量的氣凝膠結構。
生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠的形態和結構表征
在該設計中，聚苯胺包覆的天然大麻微纖維模擬了貓須的功能，能夠捕捉并傳遞微弱的機械擾動；而多孔腔結構則模仿了毛囊-竇狀復合體的竇狀腔，充當局部緩沖與放大單元。當外部機械信號通過纖維傳遞時，多孔腔會發生變形，進而使以聚苯胺包覆的天然大麻纖維彎曲。這種變形會被轉換為可檢測的電阻變化及輸出信號。
在實驗中，該基于生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠的柔性壓力傳感器展現出優異的抗疲勞性，在不同載荷速率下均具有良好的動態響應，其靈敏度高達6.01 kPa?1，響應時間僅為255毫秒。此外，該柔性壓力傳感器在人體生理監測領域顯示出良好的應用前景，能夠有效捕捉頸動脈脈搏信號并識別人體運動模式。不僅如此，這款柔性壓力傳感器還可實現手寫識別及基于摩爾斯電碼的信息傳輸。
該柔性壓力傳感器用于精確監測人類活動及識別手勢
值得注意的是，質量約0.048g的生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠在500 g的重量作用10 s以上后，幾乎可以完全恢復至初始狀態，這表明所制備的生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠具有超高的抗壓性能，其承受的重量約為自身重量的10.4 × 103倍，該抗壓強度接近已報道的納米纖維氣凝膠的兩倍，凸顯出生物質纖維/海藻酸鈉氣凝膠優異的形狀恢復性。
重要的是，研究人員成功地將研發的柔性壓力傳感器應用于運動監測領域——在該場景下，柔性壓力傳感器能精準捕獲不同類型羽毛球發球過程中的信號變化。這種柔性壓力傳感器可集成到可穿戴設備中，甚至能嵌入球拍握柄，能夠為運動員優化與評估動作提供極具價值的數據支持。
該柔性壓力傳感器在羽毛球訓練運動中的監測應用
Chunhong Zhu副教授評論道：“我們的研究工作為柔性壓力傳感器的研發提供了一種綠色環保且可規模化的解決方案，避開了高能耗的碳化工藝與復雜的加工流程。這一仿生設計為環保型高靈敏度可穿戴傳感器的發展邁出了重要一步，在運動分析與生物醫學監測領域具有廣闊的應用前景。”
