柔性压力传感器通常面临“高灵敏度”与“宽测量范围”难以兼顾的问题：微小结构能够灵敏感知低压力，却容易在高载荷下快速饱和；较大结构能够承受更高压力，但对微小压力的响应又相对有限。如何突破这一矛盾，是柔性传感器应用于智能机器人、可穿戴电子和复杂环境感知亟待解决的问题。

近日，由中南大学、中国科学院成都生物研究所、北京理工大学等单位组成的研究团队从鳄鱼皮肤表面不同尺寸的穹顶状压力感受器中获得启发，提出一种非对称双层微穹顶结构，构建出兼具高灵敏度与超宽量程的柔性压阻式压力传感器。该传感器在0.5～2000 kPa压力范围内实现了64.1 kPa⁻¹的灵敏度和0.985的线性度，响应与恢复时间分别为104 ms和38 ms，并具有较强的过载承受能力和抗振动干扰性能。研究进一步将其用于探测车地表状态感知和机械爪物体尺寸识别，展示了仿生微结构与先进制造技术结合在机器感知领域的应用潜力。

图1 鳄鱼皮仿生非对称双层微结构柔性压力传感器

让大小微穹顶接力承压

鳄鱼能够在黑暗水下感知周围环境，与其皮肤表面广泛分布的穹顶状感受器密切相关。这些感受器直径约为0.2～1.2 mm，不同尺寸的感受器分别响应不同的机械刺激，形成具有“分工协同”特征的机械感知系统。

受此启发，研究团队在柔性PDMS薄膜两侧分别构建了大小不同的微穹顶阵列。其中，小微穹顶负责低压力区的灵敏响应，大微穹顶则在压力升高后逐渐承担主要变形。当外界压力较小时，小微穹顶优先压缩并快速改变接触面积；随着压力持续增加，大微穹顶进一步变形，使传感信号得以持续输出。这种大小微结构在不同压力阶段“接力工作”的方式，有效缓解了传统单一微结构中灵敏度与量程难以兼顾的问题，实现了从微小触压到高载荷压力的连续感知。

图2 非对称双层微结构的接力承压与压力响应机制

用飞秒激光直接加工非对称双面结构

复杂微结构的制备通常依赖光刻、化学刻蚀、三维打印或模板复制。模板法需要经历模板制造、反向复制和脱模等多个步骤，当结构同时具有双面、异尺寸特征时，工艺复杂度进一步增加，并可能在脱模过程中引起结构变形或一致性下降。

研究团队利用飞秒激光超短脉冲和非接触加工特点，直接在PDMS薄膜两侧构建不同尺寸的微穹顶阵列。通过调节激光能量、扫描间距和扫描速度，可以灵活控制微结构的宽度、高度和阵列形貌。该方法省去了复杂的微结构模板制备与脱模过程，降低了双面异构结构成形过程中发生形貌失真的风险，也为不同尺寸微结构的参数化设计和快速加工提供了技术基础。

扫描电子显微镜和激光共聚焦测试表明，两侧微结构具有清晰的尺寸差异和较好的一致性。经历高压循环加载后，微结构整体形貌仍保持完整，未观察到明显的塌陷、开裂或塑性变形，说明飞秒激光加工形成的PDMS微结构具有良好的力学稳定性。

兼顾高灵敏度与超宽量程

得益于非对称双层微穹顶结构，该传感器在0.5～2000 kPa压力范围内保持稳定响应，灵敏度达到64.1 kPa⁻¹，线性度达到0.985；在0.5～1300 kPa范围内，线性度进一步达到0.995。传感器最低可检测0.5 kPa压力，响应时间和恢复时间分别为104 ms和38 ms。同时，器件具有较好的机械稳定性和环境适应能力，在达到满量程200%的4 MPa过载压力下仍能够正常工作，并在超过10000次循环加载后保持稳定输出。在20～50 ℃环境中连续测试17 h，其相对电阻偏差保持在±2.5%以内，表现出良好的动态可靠性。

从压力检测走向机器人环境感知

研究团队进一步将该传感器应用于移动机器人和智能机械爪。在探测车实验中，将传感器集成于车轮受力位置，通过采集车轮与不同地表接触产生的压力信号，实现对花岗岩、碎石、土壤和沙地等不同地表状态的区分，展示了柔性压力传感器在机器人环境感知中的应用潜力。在机械爪实验中，传感器能够感知不同尺寸物体在抓取过程中的受力变化，并结合机器学习算法实现物体尺寸识别。针对六种不同直径的木棒，测试集识别准确率达到97%，表明该器件可进一步将机械压力信号转化为物体尺寸和操作状态等机器感知信息。

图3 仿生柔性压力传感器用于探测车地表状态识别

图4 仿生柔性压力传感器用于机械爪物体尺寸识别

结语

该研究将鳄鱼皮肤多尺寸压力感受器的“分工协同”机制转化为人工柔性传感结构，通过大小微穹顶在不同压力阶段的接力变形，缓解了柔性压力传感器灵敏度与测量范围难以兼顾的问题。同时，飞秒激光直接加工为双面、异尺寸复杂微结构提供了可调控的制造方式，使仿生设计由外形模仿进一步深入到感知机制和载荷传递方式的功能迁移。

从仿生原型、结构设计和加工制造，到力电响应分析、动态性能测试及机器人应用验证，该研究构建了较为完整的技术链条。相关成果为高性能柔性压力传感器的结构设计提供了新思路，也为探测机器人、工程机器人和智能机械爪在复杂环境中的自主感知与精细操作提供了器件基础。

该工作以“Femtosecond-Laser-Engineered Asymmetric Bilayer Microstructures for Ultrawide-Range High-Sensitivity Flexible Pressure Sensors”为题发表在Advanced Functional Materials上。中南大学曹培林博士为论文第一作者。中南大学王聪教授、刘林鹏副教授和中国科学院成都生物研究所汪婧婷青年研究员为共同通讯作者。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省杰出青年科学基金等项目支持。

原文链接：http://doi.org/10.1002/adfm.78205