近年來(lái)，柔性壓力傳感器在監(jiān)測(cè)多種生理信號(hào)方面取得了顯著進(jìn)展，如血壓、脈搏波、血糖及血氧等。多數(shù)柔性壓力傳感器主要應(yīng)用于低于100 kPa的日?；顒?dòng)監(jiān)測(cè)中。盡管許多傳感器可以實(shí)現(xiàn)中等壓力范圍內(nèi)的高靈敏度，但其性能往往依賴(lài)于壓力敏感層的垂直可壓縮性。受壓后，敏感層結(jié)構(gòu)會(huì)迅速致密化，導(dǎo)致靈敏度會(huì)極速降低至零。然而，在不受限的情景中，柔性傳感器還可能面臨如關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、足底壓力監(jiān)測(cè)以及胎壓監(jiān)測(cè)等極端壓力條件。因此，現(xiàn)有柔性壓力傳感器在超寬壓力檢測(cè)范圍內(nèi)保持高靈敏度仍面臨挑戰(zhàn)。
針對(duì)現(xiàn)有挑戰(zhàn)，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)王學(xué)文教授課題組提出了基于應(yīng)變效應(yīng)的新型壓力傳感器，通過(guò)調(diào)整柔性超薄導(dǎo)電薄膜和應(yīng)變誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的尺寸和模量差異，實(shí)現(xiàn)了超寬壓力檢測(cè)范圍內(nèi)靈敏度的正向增長(zhǎng)。該傳感器在45 Pa至4.1 MPa的壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的正電阻響應(yīng)；同時(shí)，區(qū)別于經(jīng)典壓阻效應(yīng)結(jié)構(gòu)，傳感器的靈敏度隨壓力增大由5.22 MPa-1增長(zhǎng)至70 MPa-1。這一成果打破了柔性壓力傳感器在高靈敏度和廣泛壓力檢測(cè)范圍之間的制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了靈敏度和壓力檢測(cè)范圍的協(xié)同提升，為寬壓域柔性傳感器設(shè)計(jì)提供了新的思路。
基于上述性能優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)將這一傳感器應(yīng)用在了膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中步態(tài)周期反饋監(jiān)測(cè)和接觸壓力特征捕捉等領(lǐng)域，協(xié)助醫(yī)生在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中定量分析股骨脛骨壓力、平衡內(nèi)外側(cè)壓力分布并跟蹤股骨運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)柔性電子技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，為疾病預(yù)防、早期診斷和治療提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和分析支持。該研究成果有望加速醫(yī)療設(shè)備的智能化升級(jí)，推動(dòng)先進(jìn)數(shù)字醫(yī)療技術(shù)的普及，助力實(shí)現(xiàn)健康中國(guó)的目標(biāo)，推動(dòng)我國(guó)醫(yī)療服務(wù)向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向進(jìn)一步邁進(jìn)。
相關(guān)成果以“Breaking the Saturation of Sensitivity for Ultrawide Range Flexible Pressure Sensors by Soft-Strain Effect”為題發(fā)表在A(yíng)dvanced Materials期刊。柔性電子研究院博士生李玥、西安市紅會(huì)醫(yī)院張維杰博士為本文的共同第一作者，黃維院士、王學(xué)文教授為共同通訊作者。
王學(xué)文教授課題組圍繞特種柔性感知材料與器件開(kāi)展研究，已在Nat. Commun.（1篇）、Sci. Adv.（1篇）、Adv.Mater.（9篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Research（3篇）等國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，同行引用8500余次。課題組獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利15項(xiàng)、美國(guó)專(zhuān)利1項(xiàng)。相關(guān)研究成果被新華社、中央廣播電視總臺(tái)、《科技日?qǐng)?bào)》、《中國(guó)科學(xué)報(bào)》等多家主流媒體報(bào)道。上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金，以及國(guó)家留學(xué)基金委獎(jiǎng)學(xué)金等經(jīng)費(fèi)的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202405405
（文字：李玥；審核：王學(xué)文）
