武汉大学吕昂等：纤维素压力传感器新策略：分层多孔结构提高纤维素水凝胶的灵敏度

研究背景

近年来，由于技术的进步和人类对健康的需求不断增长，柔性可穿戴设备日益突出，制备材料多种多样，在人机界面、健康监测等领域展现出广泛的应用前景。其中，纤维素作为地球上最丰富的生物资源，具有无毒、可降解、环境友好等特点，以其为原料制备的压力传感器具有可再生性、生物相容性好等优点。然而，纤维素水凝胶实现高灵敏度和承受高压的机械能力仍然是一项重大挑战。

Boosting Sensitivity of Cellulose Pressure Sensor via Hierarchically Porous Structure

Minzhang Chen#, Xiaoni An#, Fengyan Zhao, Pan Chen, Junfeng Wang, Miaoqian Zhang, Ang Lu*

Nano-Micro Letters (2025)17: 205

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01718-z

本文亮点

1. 设计独特：该研究介绍了一种高性能纤维素水凝胶(HPCH)，它受人体皮肤结构的启发，具有仿生分层多孔结构，将软层的大孔和硬层的小孔结合在一起。这种独特的设计提高了压力传感器的灵敏度和机械性能。

2. 性能优异：HPCH 传感器的压力灵敏度高达 1622 kPa⁻1，检测范围宽达 160 kPa，电导率高达 4.01 S m⁻1。离子浸泡进一步优化了水凝胶的导电性和介电特性，与现有的纤维素传感器相比性能更加卓越。

3. 应用前景广阔：HPCH传感器在健康监测、工业诊断和压力分布检测等领域均具有出色表现，成为各种压力传感应用的多功能、耐用和高灵敏度解决方案，为基于天然聚合物的传感技术开辟了一条前景广阔的道路。

内容简介

近年来，由于技术的进步和人类对健康的需求不断增长，柔性可穿戴设备日益突出，在人机界面、健康监测等领域展现出广泛的应用前景。然而，对于压力传感器来说，在单一材料中实现高灵敏度和承受高压的机械能力仍然是一项重大挑战。鉴于此，武汉大学吕昂副教授课题组设计了一种具有分层多孔的高性能纤维素水凝胶，其灵感来源于人体皮肤的仿生物分层多孔结构。

这种水凝胶采用了一种新颖的设计，由具有大孔的软层和微孔的硬层组成。软质部分的大孔有利于产生明显的变形和电荷积累，从而提供对低压的超强灵敏度。相比之下，硬质部分的微孔结构可提高压力范围，确保在高压下提供支撑并防止结构失效。通过引入离子进一步优化水凝胶的性能，从而提高了其导电性和灵敏度。

该传感器的灵敏度高达 1622 kPa⁻1，检测范围高达 160 kPa，电导率为 4.01 S m⁻1，响应时间为 33 ms，检测限低至 1.6 Pa，优于大多数现有的纤维素传感器。这种创新的分层多孔结构不仅提高了压力传感性能，而且为在传感技术中利用天然聚合物提供了一种简单有效的方法。纤维素水凝胶在健康监测和工业应用方面都显示出巨大的潜力，为压力传感应用提供了灵敏、耐用和多功能的解决方案。

图文导读

I 高性能纤维素水凝胶(HPCH)的设计及分子机理

如图 1a所示，HPCH的结构受仿生学启发，经过合理设计复制了人类皮肤的分层组成。水凝胶的上层不仅柔软且疏松多孔，与人类皮肤的表皮层一样，可以检测到轻微的触碰和变形。相比之下，下层的硬质层致密而坚硬，增加了HPCH整体结构的完整性，使其能够承受更大的压力并做出响应，类似于真皮层中更深、更硬的区域。以上两者的协同作用使水凝胶具有更宽的压力感应范围，能够检测和适应各种力学刺激，有效模拟人体皮肤的功能特性。如图1b所示，当水凝胶受到非常微弱的压力时，上层柔软部分的形变占主导地位，而当压力逐渐变大时，下层的硬质部分开始起主导作用。显然，这种策略通过改变凝胶整体的结构而降低了水凝胶的模量，使电容式传感器的灵敏度升高。

图1. (a) 人体皮肤微观结构及HPCH仿生梯度结构; (b) 不同压力下HPCH的机理解释。

II HPCH的表征及变形机制

如图2a-d所示，水凝胶上层标为蓝色，进一步放大观察具有几百微米级别的大孔，下层标为黄色，具有几微米至几十微米的微孔。FT-IR和XRD揭示了HPCH在不同的离子溶液中浸泡只产生了物理作用(图2e-f)。图2g展示了浸泡在不同溶液中HPCH的应力应变曲线，结果显示浸泡在乙醇中的HPCH展现出更高的抗压强度。HPCH在压缩循环过程中的应力-应变曲线中，第一个循环出现一定的的滞后现象，与之前报道的多糖基水凝胶的情况类似(图2h)。图2i展示了浸泡在C₆H₅Na₃O₇的HPCH的软层和硬层的力学性能。可以清楚地看到，在压缩到相同应变时，软层受到的应力比硬层小得多。因此，当 HPCH首次受到微小压力时，软质部分将起主导作用。之后当压力继续增加，超过软质部分的压力极限时，硬质部分将起主导作用。

如图2j所示，我们对不同形变的HPCH进行了形态观察。最初当水凝胶受到外部压力时，软层发生变形，导致压缩应变显著增加。当水凝胶的整体应变达到16%时，软层被压缩了21%，而硬层只发生了4%的变形。当应变增加到39%时，软层的变形达到50%，而硬层被压缩了13%。在总应变达到56%时，软层变形量为62%，而硬层变形量为32%。最后，当应变达到68%时，软层逐渐饱和，变形量达到83%，硬层变形55%。总之，由于模量的不同，随着压力的增加，HPCP的变形逐渐从软层向硬层转移。

图2. (a) HPCH 的实物图(硬层标为蓝色，软层标为黄色；比例尺：1 mm); (b) HPCH 软质部分的扫描电镜图像; (c) 浸入不同溶液中 HPCH 软层的平均孔径；(d) HPCH 硬质部分的扫描电镜图像；(e) 浸入不同溶液中的 HPCH 的FT-IR光谱图; (f) 浸入不同溶液中的 HPCH 的 XRD 图; (g) 浸入不同溶液中的 HPCH 的压缩应力-应变曲线; (h) 浸入C₆H₅Na₃O₇ 溶液中的 HPCH 在循环过程中 50%应变范围内的压缩应力-应变曲线; (i) 浸入 C₆H₅Na₃O₇ 溶液中的 HPCH 软硬两层的压缩应力-应变曲线; (j) 在 0-68% 的范围内，HPCH 在不同应变的压缩过程中的光学物理图像(比例尺：1 mm)。

III HPCH的灵敏度及传感性能

水凝胶模量的降低和电导率的增加等因素均对其灵敏度有显著影响。我们计算了0-20 kPa压力范围内的灵敏度，如图3a 所示。只浸泡在乙醇中的水凝胶的灵敏度(0-2.9 kPa)为9.8 kPa⁻1，而引入离子后，灵敏度显著提高至1000 kPa⁻1以上，其中0-2 kPa范围内浸泡在C₆H₅Na₃O₇ 中的HPCH灵敏度为1622 kPa⁻1, 0-0.8 kPa范围内SKCl为1169 kPa⁻1, 而0-1.2 kPa范围内SLiCl为257 kPa⁻1。其原因在于离子的引入除了增加水凝胶的电导率、降低模量外，还可以改变水凝胶的介电常数，提高其对电场的响应能力。如图3b所示，我们具体分析了浸泡在柠檬酸三钠溶液的HPCH软硬两部分的灵敏度：S软层 = 5380 kPa⁻1(0-0.01 kPa)，S硬层 = 103 kPa⁻1(0-10.6 kPa)。将这两部分结合成HPCH时，测得的总体灵敏度为1622 kPa⁻1。

为了更好地验证HPCH在传感领域的潜力，我们进行了一系列传感测试。如图3c所示，在7 kPa的大压力下施加连续微压时，可以观察到明显的电容变化。结果表明HPCH具有优异的灵敏度，在大压力下也能快速、准确地检测到微小压力的变化。此外，HPCH的最低检测限为1.6 Pa (图3d)，在大小循环形变实验中都具有良好的重复性(图3e-f)。此外，如图3g所示，在1 kPa(相当于手指轻触的压力)的低压下，HPCH的快速响应和松弛时间分别为33 ms和45 ms，与人体皮肤的反应时间(30 – 50 ms)相当。我们将HPCH与其他材料在灵敏度、检测限、响应时间、电导率和量程等方面进行了比较，如图3h所示。可以清楚地看到本研究中的HPCH在这些方面的性能都优于同类材料，这体现了HPCH良好的应用潜力。此外，HPCH 在30%应变的5000次循环中也表现出了快速和出色的传感响应稳定性(图3i)，并且在重复加载的情况下电容变化率保持不变，这表明其在实际应用中具有显著的电稳定性和耐用性。

图3. (a) 浸入不同溶液的 HPCH 的 ΔC/C0 变化; (b) 浸入 C₆H₅Na₃O₇溶液中的 HPCH 软硬部分的 ΔC/C0 变化和灵敏度 (S); (c) 在大压力情况下持续施加小压力时的电容变化; (d) HPCH 传感器在不同压力下的相对电容变化; HPCH 传感器在不同压缩应变下连续 10 次循环的相对电容变化：(e) 小应变和 (f) 大应变; (g) HPCH 传感器的响应时间和松弛时间；(h) 与其他材料相比，HPCH 的灵敏度、检测极限、响应时间、电导率和压力范围; (i) 在应变为30%下，5000次循环的相对电容变化。

IV HPCH在健康检测和机械故障诊断领域的应用

将 HPCH 切割成矩形，以VHB包封并以银箔作为电极组装压力传感器。如图4a所示，我们将传感器贴在志愿者的眉毛、肘部、颈部和膝部上，可成功检测到相应的电容信号(图4a, d-f)，并与相应的运动保持高度同步，表现出瞬时和稳定的响应。此外，我们还将 HPCH 贴在在手腕处监测脉搏，如图4b所示。HPCH传感器能够持续捕捉有规律、可重复的脉搏，符合健康成年人在静息状态下的预期值(每分钟68次)。此外如图4c所示，放大观察单个脉冲峰值可以清晰显示脉冲波形的特征，包括除极波(P波)、潮汐波(T波)和舒张波(D波)。这些清晰的波形特征凸显了HPCH压力传感器出色的灵敏度。

此外，基于HPCH的传感器具有出色的灵敏度和响应性，不仅适用于健康监测和医疗设备，在工业和其他领域也具有很大的潜力，如机械故障诊断。例如，HPCH传感器与吹风机或真空泵等设备组合后，可以通过检测传感器形状变化产生的电信号来监控这些设备的运行状态(图4g-h，j-k)。此外，对电容信号进行小波变换，不仅可以通过分析频率信息，还可以分析信号强度来检测异常状态(图4i，l)。这些实验结果表明，由于HPCH 压力传感器能够检测到最小的振动信号，因此在机械故障诊断中具有很大的潜力。

图4. (a) 皱眉的电容信号; (b) 手腕脉搏的电容信号; (c) 一次脉搏的叩击波(P 波)、潮汐波(T 波)和舒张波(D 波)的电容信; (d) 肘部、(e) 颈部和 (f) 膝部的电容信号; (g) 传感器安装在吹风机上的演示图; (h) 吹风机振动产生的电容信号; (i) 小波变换获得的电吹风振动电容信号的频率-时间图; (j) 传感器安装在泵上的演示图; (k) 泵振动的电容信号; (l) 小波变换获得的泵振动电容信号的频率-时间图。

V HPCH在二维压力监测领域的应用

为了进一步探索HPCH在压力传感器领域的广泛应用，我们制作了一个基于HPCH 的4×4传感器阵列，以铜片为电极的传感器阵列组成的模拟图如图 5a所示。对传感器的行和列进行编号，并用一根手指以不同强度按压对角线位置(图5b)。由于手指对水凝胶施加的压力不同，其会产生不同的形变，对应的电容变化三维条形图如图5d所示。接下来，志愿者随机将右手的三根手指放在传感器阵列上，施加一定的压力(图5c)，电容变化的位置与按压的位置密切相关。如图5e所示，电容的变化程度反映了手指按压的力度，其中红色表示变化最大，紫色表示变化最小。电容变化的位置可以与实际图像精确匹配，这表明 HPCH 能够准确感知施加压力的大小和位置。

我们在之前简单阵列的基础上，增加了水凝胶的数量，改变阵列的轮廓形状，作为足底压力检测器，为患者提供各种重要的医疗数据，也有利于疾病预防和监测，实现精准医疗。如图5f所示，传感器阵列被制成鞋垫以监测志愿者行走时的压力分布。辅以步行模拟图，图5g显示了整个行走过程中压力分布的变化。可以明显看出三种不同步态的压力分布差异：脚跟着地时，压力主要集中在脚跟中心；中段站立时，压力均匀分布在脚跟和前脚掌，最大压力较低；脚跟离地时，压力主要集中在大脚趾和前脚掌。因此，若鞋垫可以动态灵敏地检测大压力范围内脚底的压力分布，将为制鞋行业和体育产业带来新的机遇。

图5. (a) 用于 HPCH 的 4 × 4 传感器阵列示意图; (b) 对阵列对角线位置施压及(d) 对应的信号图; (c) 随意对阵列中的点施压及(e) 对应的信号图; (f) 足底压力监测系统示意图; (g) 步行过程中的三种步态示意图及使用传感器阵列捕获三种步态的电容信号和压力图。

VI 总结

本研究成功开发了一种基于仿生分层多孔结构的高性能纤维素水凝胶HPCH，其展现其对压力的优异传感能力。软、硬两层的大小孔分布有效平衡了材料的灵敏度和力学稳定性，其中软层的高变形性和硬层的结构支撑在压缩过程中发挥了关键作用。离子浸泡进一步增强了水凝胶的导电性和介电性能，在宽压力范围内保持了高灵敏度。该传感器的灵敏度高达1622 kPa⁻1，检测范围为160 kPa，电导率为 4.01 S/m，响应时间为33 ms，检测限低至1.6 Pa，优于大多数现有的纤维素传感器。此外，HPCH传感器在健康监测、机器故障诊断和二维压力检测等各种应用中表现出卓越的性能。研究结果表明，仿生层状多孔结构为开发高性能压力传感器提供了一条前景广阔的新途径。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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