受猫须启发的高灵敏度柔性压力传感器，助力可穿戴健康监测与运动分析
2025-10-13 08:38:52 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

该柔性压力传感器不仅展现出优异的压力敏感性、耐久性与快速响应能力，同时适用于人体生理监测与运动分析。

柔性压力传感器可检测到细微的机械刺激，因此适用于人体健康监测与运动分析领域的可穿戴传感器。然而，现有的传感器普遍存在灵敏度不足、耐久性较差、稳定性欠佳等问题。据麦姆斯咨询报道，近期，日本信州大学Chunhong Zhu副教授领导的研究团队受猫须启发，研发出一款新型生物质纤维/海藻酸钠气凝胶（BFA）柔性压力传感器。该柔性压力传感器不仅展现出优异的压力敏感性、耐久性与快速响应能力，同时适用于人体生理监测与运动分析。相关研究成果以“Cat-Vibrissa-Inspired Biomass Fiber Aerogels for Flexible and Highly Sensitive Sensors in Monitoring Human Sport”为题，发表于Advanced Functional Materials期刊上。

受猫须启发的柔性压力传感器的概念、设计与制备

在健康监测、运动分析及人机交互领域，可穿戴传感器发展迅速，这使得能检测细微的机械刺激的柔性压力传感器需求大幅增长。其中，压阻式传感器因结构简单、信号读取便捷、集成能力优异，备受研究人员关注。但传统的压阻式传感器设计存在缺陷：长期使用时对形变的适应性较差，灵敏度不足，进而导致耐久性与稳定性受损。

近年来，碳气凝胶（包括石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、生物质基碳气凝胶及MXene 气凝胶）凭借超轻质量、优异导电性与超大比表面积，成为极具潜力的替代材料。其中，生物质基气凝胶因其环保性佳、可持续性强且机械稳定性优异，应用前景尤为广阔。

然而，这类气凝胶的制备依赖高温、高能耗工艺；此外，传统的后处理修饰不仅会影响其长期稳定性与灵敏度，还会限制规模化生产。

为了解决这些问题，日本信州大学Chunhong Zhu副教授领导的研究团队，研发出了一种受猫须启发的生物质纤维/海藻酸钠气凝胶，该材料可用于柔性压力传感器。

受猫须启发的高灵敏度柔性压力传感器，助力可穿戴健康监测与运动分析

受猫须启发，研究人员通过前体辅助原位聚合与冷冻协同组装技术，研发出仿生生物质PHF/海藻酸钠气凝胶（BFA）。这类超轻多孔压力传感器兼具高灵敏度与优异耐久性，可实现脉搏检测、手写识别、摩尔斯电码传输，尤其能对羽毛球运动进行实时监测，为智能可穿戴运动类电子设备提供了可持续解决方案。该柔性压力传感器可有效应用于人体生理监测及运动中的动作分析。

Chunhong Zhu解释说：“猫以其非凡的敏捷性和感官敏锐度著称，而它们高度依赖自身发达的感官系统，以此实现空间感知。猫的胡须，是坚韧且高度灵敏的触觉探测器，它们深深嵌入名为‘毛囊-窦状复合体（FSC）’的特殊结构中，该结构能放大微弱的机械信号，并将其转化为神经刺激，使猫甚至能感知到周围环境中最细微的压力变化。我们研究的生物质纤维气凝胶，同时模仿了猫的胡须与毛囊-窦状复合体，因此具备出色的灵敏度与稳定性。”

研究人员使用长尺寸，高强度，高韧性且环保的大麻微纤维（HF），作为构建生物质纤维/海藻酸钠气凝胶的纤维基质。首先，将大麻微纤维与聚苯胺进行原位聚合反应，形成均匀的导电涂层，该涂层可有效提升材料的耐久性与界面结合力。随后，将聚苯胺包覆的大麻微纤维与作为功能粘合剂的海藻酸钠复合，通过冷冻协同组装策略，制备出高孔隙率、超轻量的气凝胶结构。

生物质纤维/海藻酸钠气凝胶的形态和结构表征

在该设计中，聚苯胺包覆的天然大麻微纤维模拟了猫须的功能，能够捕捉并传递微弱的机械扰动；而多孔腔结构则模仿了毛囊-窦状复合体的窦状腔，充当局部缓冲与放大单元。当外部机械信号通过纤维传递时，多孔腔会发生变形，进而使以聚苯胺包覆的天然大麻纤维弯曲。这种变形会被转换为可检测的电阻变化及输出信号。

在实验中，该基于生物质纤维/海藻酸钠气凝胶的柔性压力传感器展现出优异的抗疲劳性，在不同载荷速率下均具有良好的动态响应，其灵敏度高达6.01 kPa⁻¹，响应时间仅为255毫秒。此外，该柔性压力传感器在人体生理监测领域显示出良好的应用前景，能够有效捕捉颈动脉脉搏信号并识别人体运动模式。不仅如此，这款柔性压力传感器还可实现手写识别及基于摩尔斯电码的信息传输。

该柔性压力传感器用于精确监测人类活动及识别手势