電子皮膚（E-skin）因其可模拟人類皮膚的柔軟性質和觸覺功能，而在軟體機器人、假肢、仿生學和生物傳感器等領域具有重要應用。電子皮膚的關鍵元件之一——柔性壓力傳感器，經過數十年的研究，雖然在傳感器的靈敏度和檢測範圍等方面取得了重大進展，但仍面臨着衆多挑戰，特别是柔性壓力傳感器在拉伸狀态下壓力傳感信号受拉伸狀态幹擾這一問題，還尚未被很好地的解決。
過去的研究中，科學家們探索了壓阻、壓容、壓電、光學、離子及磁性等不同壓力傳感器的傳感機制。其中，電容式壓力傳感器因其高靈敏度、寬廣的工作範圍和良好的線性度等優勢而受到關注。然而，面對同時出現的拉伸和壓力，這類傳感器的壓力信号準确性仍是一大難題。在受到拉伸時，電容式傳感器由于電媒體的泊松效應，電極面積增大和間隙減小，導緻電容值升高，此時若有面外壓力導緻電容值變化，面外壓力的大小将難以通過電容值而準确測定。此現象稱為壓力信号的被拉伸幹擾。盡管通過應變隔離或電容補償等方法，能夠一定程度上校正電容值和相應的壓力讀數，本征可拉伸且在拉伸狀态下精确測量壓力的電容式壓力傳感器目前尚未實作。
為解決拉伸對壓力傳感器壓力讀數的幹擾，UT-Austin魯南姝教授及其團隊開發了一種具有高靈敏度、本征可拉伸的柔性複合響應壓力傳感器（Stretchable Hybrid Response Pressure Sensors, or SHRPS）。此傳感器可被拉伸至70%，在0-10 kPa的工作範圍内靈敏度為1.25 kPa-1，在無面内拉伸和單軸面内拉伸（10%，20%，30%，40%）五種情況下，該傳感器的壓力讀數表現出良好的一緻性，進而有效解決了拉伸對壓力讀數的幹擾問題。此外，研究團隊還将此傳感器貼合在可充氣的柔性探頭上，并實作了不同的應用場景。例如傳感器在柔性探頭充氣狀态（傳感器處于雙軸平面拉伸41%應變）的情況下仍可以精确檢測到脈搏波形，以及傳感器在柔性探頭未充氣狀态（傳感器處于雙軸平面未拉伸狀态）則可以穩定的完成抓取。
此研究成果不僅為電子皮膚、軟機器人及生物內建電子産品等領域提供了一種具有潛力的解決方案，也展示了SHRPS在形狀可調和剛度可控的智能充氣探頭表面執行多種任務的能力。
圖1. A）SHRPS結構示意圖；B）導電多孔納米複合材料(PNC)掃描電鏡圖；C）三種不同類型的電容式傳感器的電場與電勢分布圖：（i）介電層材料經過設計的電容式壓力傳感器；（ii）SHRPS；（iii）采用電極材料經過設計的電容式壓力傳感器；在未變形（中）、被壓縮（左）和被拉伸（右）狀态下，電場（流線）和電勢（彩色輪廓）的分布情況。D）3x3 SHRPS陣列的形變示意圖：從左至右分别對應了SHRPS陣列在無負載及不同機械應力（拉伸、彎曲、扭轉）狀态下的形态變化。
研究團隊首先展示了SHRPS的結構細節，如圖1A所示，其中噴塗在聚二甲基矽氧烷（PDMS）表面的碳納米管（CNT）層複合材料用作電極，另外一層PDMS薄層充當電容式傳感器的絕緣層，而導電多孔納米複合材料（PNC）則用作介電層材料。PNC的掃描電子顯微鏡（SEM）表征結果展示在圖1B。圖1C闡述了三種不同類型的電容式傳感器在面内拉伸和面外壓縮狀态下的工作原理；其中SHRPS在面内拉伸時的工作原理與傳統電容式傳感器相似，而在面外壓縮時, PNC電阻的變化讓SHRPS表現出複合響應特性。這一獨特的複合響應能力極大地增強了SHRPS對壓力變化的靈敏度，同時有效減少了拉伸引起的電容信号幹擾。
圖2. 三種不同類型電容式壓力傳感器的壓力與拉伸響應分析; A) 固體ecolfex；B) 多孔ecolfex；C) SHRPS；（i） 原理圖；（ii） 單獨施加壓力（藍色）與單獨施加拉伸（紅色）的電容響應比較；（iii） 同時施加壓力和拉伸時的電容響應。
為了深入展示SHRPS的獨特特性，研究人員對比分析了三種不同類型電容式壓力傳感器在壓力和拉伸狀态下的響應表現。
對于固體ecoflex式電容壓力傳感器：
在40%單軸拉伸下的電容信号的變化（ΔCs）是50kPa壓力引起的電容信号變化（ΔCp）的500%（見圖2A(ii)）。這種情況下，當傳感器同時經曆不同程度的面内拉伸和面外壓縮時，其壓力電容曲線呈分散分布，導緻在相同電容信号下壓力讀數出現不準确性（見圖2A(iii)）。
對于多孔ecoflex式電容壓力傳感器：
同樣40%的單軸拉伸引起的電容信号變化（ΔCs）僅為50kPa壓力引起的電容信号變化（ΔCp）的12%（見圖2B(ii)）。在這種情況下，在不同的面内拉伸應變下，傳感器的壓力電容曲線開始出現重合，使得同一電容信号下的壓力讀數變得更加準确（見圖2B(iii)）。
對于SHRPS：
在40%單軸拉伸的情況下，電容信号的變化（ΔCs）僅占50kPa壓力引起的電容信号變化（ΔCp）的1.8%（見圖2C(ii)）。而且，SHRPS在受到面内拉伸應變時（0-40%），其壓力電容曲線幾乎完全重合，進而確定了在相同電容信号下傳感器壓力讀數的高度準确性（見圖2C(iii)）。
圖3. A)中不同CNT摻雜比下PNC的壓力電阻變化曲線；B)不同CNT摻雜比下SHRPS的壓力響應（△C/C0變化曲線）；C) 含0.4 wt% CNT的PNC在單軸和雙軸拉伸下的電阻變化；D)含0.4 wt% CNT的SHRPS在單軸和雙軸拉伸應變下的△C/C0變化；E) SHRPS與現有電容式傳感器在壓力靈敏度（0 - 10 kPa 範圍）及可拉伸性的Ashby圖比較；F) SHRPS的壓力檢測下限；G) SHRPS的響應和恢複時間；H) SHRPS 在（i） 0 - 10 kPa 壓力，（ii）0 - 40% 單軸拉伸應變，(iii) 在40% 恒定單軸拉伸應變下的重複加載 0 - 10 kPa 壓力，以及 (iv) 從平坦狀态下彎曲到半徑為 7.2 毫米的重複性和耐久性測試。
随後，研究團隊調整了PNC中CNT的摻雜比例，深入研究了不同比例對SHRPS性能的具體影響。如圖3A和3B所示，實驗結果表明，CNT的最佳摻雜比為0.4%。圖3C進一步展示了在這一摻雜比下，PNC材料在單軸及雙軸拉伸狀态下的電阻變化曲線。圖3D展示了這一摻雜比的SHRPS在單軸拉伸和雙軸拉伸的△C/C0變化。
圖3E對比了SHRPS與其他現有電容式傳感器在壓力靈敏度（0 - 10 kPa範圍）及可拉伸性方面的性能，顯示SHRPS具有較高的壓力靈敏度和優越的可拉伸性。此外， 圖3F&3G分别詳細呈現了SHRPS的壓力檢測下限和響應回複時間。圖3H呈現SHRPS在以下載下傳荷的重複性和耐久性測試結果：
（i） 0 - 10 kPa 壓力，
（ii）0 - 40% 單軸拉伸應變，
(iii)在40% 恒定單軸拉伸應變下的重複加載 0 - 10 kPa 壓力，以及 (iv) 從平坦狀态下彎曲到半徑為 7.2 毫米的狀态。
圖4. SHRPS的理論模組化分析；A) PNC各組分的電容電阻示意圖; B) SHRPS的等效電路圖;C) 在不同的CNT摻雜比例下，SHRPS的壓縮應變與電容變化預測；D) 在不同的CNT摻雜比例下，SHRPS的壓縮應變與△C/C0的變化預測；E) 不同CNT摻雜的SHRPS理論與實驗結果比較。
為了定量評估這種傳感機制，研究團隊進行了詳細的模組化和分析。他們首先确定了PNC各組成成分的電容和電阻（見圖4A），然後建構了SHRPS的簡化等效電路模型，并與實際電路進行了對比（見圖4B-C）。從圖4D-E的電容變化結果中可以看出，簡化的等效電路模型在一定程度上與實驗結果相吻合，進而證明了該模型的有效性。
圖5：柔性充氣探頭與3x3 SHRPS陣列組成的智能探頭壓力傳感器；A) 3x3 SHRPS陣列及充氣探頭元件示意圖；B) 探頭的未充氣狀态與充氣狀态示意圖；C) SHRPS在雙軸拉伸應變下的有限元模拟；D) 人體動脈測量示意圖及手腕橫截面圖；E) 脈搏檢測過程示意圖；F) 脈搏診斷中的9個SHRPS單元電容信号變化：① 在充氣過程中的電容變化（6秒）；② 接觸手腕後的電容變化（第17秒）；G) 脈搏波原始資料；H) 經1-4 Hz帶通濾波後的脈搏資料；I) 抓取玻璃杯的操作示意圖：展示了在未充氣和充氣狀态下，在同樣外力下使用智能探頭壓力傳感器抓握玻璃杯的過程。J) 抓取玉米餅皮的操作示意圖：在同樣外力下展示了在未充氣和充氣狀态下，使用智能探頭壓力傳感器抓握玉米餅皮的過程。
最後，研究團隊設計了兩項實驗，展示了SHRPS在高靈敏度和高可拉伸性方面的優勢，以及其在軟體機器人和生物傳感器等領域的應用潛力。研究人員将3x3 SHRPS陣列與柔性充氣探頭組裝成一個智能探頭壓力傳感器（見圖5A）。該探頭具有未充氣和充氣兩種工作狀态（見圖5B），在充氣狀态下，中心單元的SHRPS處于41%的雙軸平面拉伸應變。得益于SHRPS對拉伸幹擾信号的高度不敏感性，無論是在充氣還是放氣狀态下，該探頭都能精确感覺壓力信号。
為了展示柔性探頭在不同狀态下的應用效果，研究人員進行了如下的操作展示。如圖5D所示，在人手腕的桡動脈附近，存在複雜的組織結構，如若想檢測桡動脈的脈搏信号，探頭需要精确的點接觸來探測脈搏信号。使用充氣模式的柔性探頭可以實作這一點（見圖5E）。圖5F表明，SHRPS在平面拉伸過程中的電容信号變化很小，在面外壓縮過程中檢測脈搏波時，電容信号的變化顯著增大。此外，圖5G顯示SHRPS能夠清晰地檢測到脈搏信号，無需任何濾波器實作規律脈搏波的檢測。經過帶通濾波過濾呼吸信号的脈搏信号如圖5H所示。圖5I和圖5J主要展示了未充氣模式的優勢，在相同的力作用下，未充氣模式提供了更大的接觸面積和更均勻的壓力分布，這使得它更适合執行抓取等任務。
Supplementary Video 2 展示了SHRPS在探頭充氣引起的拉伸過程中隻産生了微弱響應，但在接觸手腕後對接觸壓力産生了強烈響應。哪怕在有預壓力的情況下，SHRPS仍然足夠靈敏進而可以提取脈搏波動。
Supplementary Video 4 展示了在抓握圓形水杯任務中，充氣探頭與水杯形成“點”接觸而非充氣探頭形成“面”接觸，進而抓握更加可靠。
論文第一作者是德州大學奧斯汀分校機械工程系博士生Kyoung-Ho Ha，現在Northwestern University從事博士後研究；之後依次為德州大學奧斯汀分校工程力學系博士生李征傑；博士生Sangjun Kim和Heeyong Huh；王哲梁博士，畢業于Johns Hopkins University ，目前在魯南姝教授組從事博後研究；施宏陽博士，畢業于Michigan State University University ，目前在魯南姝教授組從事博後研究；大學生Chase Block; 博士生Sarnab Bhattacharya；德州大學奧斯汀分校航空航天工程與工程力學系魯南姝教授為論文唯一通訊作者。本通訊稿由李征傑和施宏陽共同撰稿。
論文連結：
https://authors.elsevier.com/a/1j0dk9Cyxd6qri