荷叶仿生+MXene黑科技!南昌航空大学研发超灵敏柔性传感器,可监测面部表情、关节运动与语音识别

柔性压力传感器在智能可穿戴设备、电子皮肤和健康监测领域潜力巨大。然而，传统传感器普遍存在响应饱和快、灵敏度低、粘弹性高等问题，严重制约了实际应用。

针对这一痛点，南昌航空大学团队（江西省光电信息感知与仪器化重点实验室）在《Sensors and Actuators A: Physical》上发表最新研究成果。他们从荷叶表面乳突状微突起获得灵感，提出了一种“协同设计”策略。

材料协同：将二维MXene纳米片与一维多壁碳纳米管（MWCNT）复配，MXene作为滑动导电层、MWCNT充当桥接通路，构建出更连续、稳定的三维导电网络

结构仿生：通过环氧树脂模具精准复刻荷叶表面的乳突微结构，使应力集中效应大幅增强

电极优化：采用喷墨打印技术制备银叉指电极，有效调控电场分布与界面接触电阻

图 1 传感器的制备流程、测试平台、结构及应用。(a) 荷叶型多壁碳纳米管 / MXene 传感器制备流程（包含乳突模具制备、荷叶结构 MXene / 多壁碳纳米管薄膜制备与封装工序）；(b) 拉伸与弯曲测试装置；(c) 压力测试平台；(d) 传感器用于人体生理信号监测的应用场景

图 2 柔性传感器表征结果：(a) 平面型多壁碳纳米管薄膜 45° 倾斜视角扫描电镜图，比例尺：20 微米；(b) 多壁碳纳米管粉末、MXene 粉末、多壁碳纳米管 / 聚二甲基硅氧烷薄膜、MXene / 多壁碳纳米管 / 聚二甲基硅氧烷薄膜的 X 射线衍射图谱；(c)–(e) 天然荷叶 45° 倾斜视角扫描电镜图，比例尺依次为 20 微米、5 微米、2 微米；(f)–(h) 荷叶结构多壁碳纳米管 / MXene 复合薄膜 45° 倾斜视角扫描电镜图，比例尺依次为 20 微米、5 微米、2 微米。

图 3 平面型多壁碳纳米管薄膜、荷叶结构多壁碳纳米管薄膜、荷叶结构多壁碳纳米管 / MXene 复合薄膜的拉伸传感性能。(a) 三种导电薄膜在不同拉伸应变下的线性响应曲线；(b) 不同拉伸应变（10%–70%）下的循环响应特性；(c) 应变区间 0–40%、不同加载频率下的循环响应；(d) 传感器在 0–50% 应变区间内完成 2000 次拉伸 - 释放循环稳定性测试。插图：实验初期与实验后期采集的应变响应信号。

图 4 平面多壁碳纳米管薄膜、荷叶结构多壁碳纳米管薄膜、荷叶结构多壁碳纳米管 / MXene 复合薄膜的弯曲传感性能(a) 三种导电薄膜在不同弯曲角度下的线性响应曲线；(b) 不同弯曲角度下的循环响应特性；(c) 弯曲角度 0–30°、不同加载频率下的循环响应；(d) 传感器在 0–30° 弯曲区间内开展 2000 次弯曲 - 回弹循环稳定性测试。插图：实验初始阶段与实验末期测得的弯曲响应信号。

图 5 平面荷叶效应多壁碳纳米管传感器、荷叶效应多壁碳纳米管传感器、荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 复合传感器的压力传感性能(a) 三种传感器在 0–150 千帕压力区间内的电阻变化响应曲线；(b) 荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 复合传感器在 0–150 千帕压力下的电阻变化响应；(c) 不同压力载荷下的循环响应特性；(d) 0–100 千帕压力区间、不同加载频率下的循环响应；(e) 10 千帕压力下荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 传感器的响应时间与恢复时间。插图：10 千帕加压时的响应信号、卸压后的恢复信号；(f) 传感器在 0–50 千帕压力区间完成 2000 次加压 - 卸压循环稳定性测试。插图：实验初期与实验末期采集的压力响应信号。

图 6 荷叶结构多壁碳纳米管薄膜与荷叶结构多壁碳纳米管 / MXene 复合薄膜的传感机理(a) 拉伸过程中，荷叶结构多壁碳纳米管薄膜、荷叶结构多壁碳纳米管 / MXene 复合薄膜内部导电通路分布示意图；(b) 弯曲过程中，荷叶结构多壁碳纳米管薄膜、荷叶结构多壁碳纳米管 / MXene 复合薄膜内部导电通路分布示意图。

图 7 荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 复合传感器受压条件下的传感机理

图 8 荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 传感器对人体运动与语音信号的实时监测(a) 人体咽喉处吞咽信号监测；(b) 传感器对不同发音词汇产生的响应信号；(c) 荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 传感器检测不同速度手臂弯曲时的相对电阻响应；(d) 荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 传感器采集人体行走、跑步时膝关节的相对电阻变化；(e) 传感器监测面部脸颊活动产生的响应信号；(f) 低头动作实时监测；(g) 传感器分别采集手腕平放与弯折两种状态的传感信号；(h) 将柔性传感器粘贴于鼠标左键，实时识别单击、双击操作；(i) 传感器监测手指不同角度弯折与回弹过程，识别两种动作状态。

本文制备了一种仿生乳突结构传感器，其力检测量程更广，可用于人体运动与生理状态的实时监测。

该器件同时利用界面接触电阻与本体压阻效应的协同调控机制；通过喷墨打印银叉指电极与乳液模板法微凸起结构的一体化构型设计，再结合复合导电网络内部的渗流协同效应，实现了传感器灵敏度的显著提升。

在压力检测工况下，荷叶效应多壁碳纳米管 / MXene 传感器呈现分段式灵敏度特性：0–5 kPa 区间灵敏度为 0.15 kPa⁻¹，5–10 kPa 区间为 3.01×10⁻² kPa⁻¹，10–60 kPa 区间为 1.26×10⁻³ kPa⁻¹，60–150 kPa 区间为 1.62×10⁻⁴ kPa⁻¹。传感器响应时间与恢复时间分别为 165 ms、284 ms，可稳定承受 2000 次加载循环，具备优异机械耐久性能。

该传感器可精准识别人体关节活动（如颈部、肘部屈伸），同时捕捉面部微表情、喉部振动等微弱生理信号。总体而言，本文提出的一体化协同设计思路为高性能柔性压阻传感器搭建了通用研发框架，为其在可穿戴电子、智能电子皮肤、无缝人机交互界面等前沿领域的深度应用奠定基础。