你可曾尝试徒手抓豆腐？是否发现哪怕再灵巧再柔软的手，也很难做到不把豆腐抓碎？不过，人类的优点之一便在于通过发明工具，来达成依靠人力无法实现的目标。

　　装备该传感器的机械夹爪既可以抓起老豆腐，更可以抓起嫩豆腐。不仅如此，还能”软硬通吃”，抓起金属块。

　　同时，其还拥有超宽的线性量程。当利用汽车重量施加的压力来作为预载荷，然后使用这款传感器进行低压力的分辨监测时，它竟能测出一瓶矿泉水所引起的微小重量变化，分辨率可以达到 0.09%。而在同等情况之下，人类皮肤的分辨率仅为 7%。

　　图 传感器性能标定结果、传感器 5 万次循环加载测试结果、车辆预压下的高灵敏压力分辨、1.5 吨重轿车载重量变化监测 （来源：Nature Communications）

　　‍ ‍ ‍ 研究中，课题组还提出一种全新的传感器设计策略和制造工艺，让该传感器得以兼具高灵敏度和超宽线性量程，其线性影响因子（Linear Sensing Factor, LSF=34440）远高于已有的绝大部分压阻式柔性压力传感器。 ‍

　　其一，可用于机器人的智能感知，以实现对外界环境的感知和适应。通过宽线性量程的压力传感，机器人可以更好地感知和理解周围环境中的物体和人的形态、‍重量和触感等信息，进而实现更精准的操作。

　　其二，可用于医疗诊断，例如监测血压、心率、呼吸等生理信号。通过高灵敏度的压力传感，能够精确地测量这些信号的变化，帮助医生进行诊断和治疗。以睡眠呼吸暂停综合症的诊疗为例，医生可以通过传感器监测患者的呼吸和心率变化来确定病情。

　　想必大家对于传感器并不陌生，研究传感器的课题组也有很多。那么，小小的传感器缘何吸引这么多科学家前赴后继？

　　作为现代信息技术的三大支柱之一，传感器已被广泛用于军事、海空探测、机器人、医疗、工业生产等领域，在国防和国民经济中发挥着重要作用。

　　近来年，不少国家均从国家战略层面加紧布局，大力支持传感器研发工作，并将其列为高科技产业竞争的重点发展领域。

　　2021 年，国家发布《国民经济十四五规划和 2035 年远景目标纲要》，将传感器列为“卡脖子”关键技术领域。2022 年，国务院在印发的《计量发展规划（2021—2035 年）》中明确指出要加快传感技术领域的突破。

　　同时，美国、欧盟等国家和地区在《关键与新兴技术国家战略》和电子复兴计划中，也将高端传感器列为重要战略技术。

　　柔性压力传感器，是实现机器人智能感知和人机交互的核心器件。它能以信号传导的形式将压力信号转换为电信号，从而实现压力信息的快速精确传导，是当前智能传感器的研究前沿和热点领域。

　　针对周围环境的刺激，机器人要想更好地做出及时、精准的感知，就会给传感器的灵敏度、量程和线性度等性能指标提出极高要求。

　　但是，它们之间往往存在一定的制约关系，无法做到同时兼备。高灵敏度，意味着即便面对微小压力的变化，传感器也能做出快速且准确的响应。

　　在医疗诊断、环境监测、工业过程控制等应用中，对于精确测量和控制有着严格要求。然而，在提高灵敏度的同时，往往会降低传感器的量程。

　　另一方面，宽线性量程意味着传感器能够测量更大的压力范围，而不会达到其量程上限或下限。对于机器人智能感知、人机交互、航空航天等应用，它们对于压力测量范围有着较大需求。

　　然而，要实现宽线性量程，往往需要传感器具有更大的刚度、或更厚的可变形敏感层，而这会降低传感器的灵敏度。

　　这不仅需要深入理解压力传感器的物理机制和材料特性，还需要在设计和制造过程中进行精细的优化和控制。基于此，课题组和课题组开展了本次研究。

　　研究中，为了建立非线性协同设计新策略，基于传感器的“应力-应变”和“电流变化率-应变”关系，他们先是建立了一款力电耦合模型。

　　通过此，课题组开始研究压力敏感层的非线性电学性能、以及力学调节器的非线性力学性能，对于传感器线性度的协同调控机理。

　　据此，他们提出了非线性协同设计策略，利用压力敏感层的非线性压阻率、以及力学调节器的非线性弹性之间的协同作用，实现了高灵敏与超宽线性量程在性能上的兼得。

　　为了实现压力敏感层的高精度、高效制造，采用动态聚焦激光加工技术，在密胺脂海绵（MF）上加工出双面金字塔微结构阵列（DPyMF），随后借助高温热解的工艺，让金字塔多孔结构碳化而获得导电性，并缩小金字塔微结构的尺寸（DPyCF），以便进一步提升传感器灵敏度。

　　最后，将压力敏感层（DPyCF）嵌套至力学调节器（SR）中，将它们形成一个整体，这个组合结构被称之为 DPyCF@SR。

　　在性能以及应用集成上，针对高灵敏度-宽线性量程柔性压力传感器，研究团队测试了它的灵敏度、样品一致性、循环稳定性、最小检测极限压力、响应时间等性能指标。

　　确定性能之后，课题组开展了以下三项应用：高载荷预压下的微小压力分辨、机器人智能抓取、生理信号检测和密码-压力双重加密（人机交互）。

　　图 （a）密码-压力双重加密锁系统示意图；（b）基于 Unity3D 的密码-压力双重加密锁人机界面；（c-d）一次不成功的尝试和一次成功的解锁尝试（来源：Nature Communications）

　　在论文返修过程中，有两位审稿人提出了相似的 comment，认为相关应用不够突出传感器的性能特点，即体现不出高灵敏和超宽线性量程的应用特点。为了回复这个问题，和团队设计了文章开头的抓豆腐和测压力的实验。

　　最终，相关论文以《非线性协同：实现高灵敏度和宽线性量程压力传感的优雅策略》（）为题发在 Nature Communications[1]。

　　整体来看，通过探究高灵敏度和宽线性量程之间的内在联系和制约机制，可以更好地掌握柔性压力传感器的性能优化方法。

　　这既能为压力传感器的设计和制造提供理论指导和技术支持，也能为柔性电子技术和微纳制造技术的发展提供新方法。同时，优化之后的柔性压力传感器也将具有更广阔的前景。

　　下一步，他们将开展多轴激光微纳制造的研究，通过设计独特的微结构，来提升传感器的稳定性和可靠性。

　　传感器的稳定性决定着其使用寿命和可靠性。在不少应用中，传感器需要长期连续运行，因此其稳定性将直接影响到整个系统的运行和成本维护。

　　传感器研究，是一个非常讲究应用价值的课题领域。在应用孵化上，也一直在积极探索，并积累了多个校企合作案例。

　　从读博开始，就深耕于微纳制造和材料成型等领域。十几年来在埋头科研的同时，他也不曾忘记“闻窗外事”。比如，他曾主持厦门集团、等国有大型企业委托项目。

　　在项目实施过程中，团队建立了一批具有核心竞争力和自主知识产权的关键技术，突破了“卡脖子”技术瓶颈。

　　课题组和厦门 公司、厦门公司有着 10 余年的紧密产学研合作研发，在高性能氢燃料电池关键元件及系统、氢燃料电池健康监测传感技术、可移动式的燃料电池供氢装备、高安全燃料电池客车集成技术上取得了一系列突破，研制生产了一批高安全、高性能氢燃料电池客车，牵头建立了氢燃料电池客车的生产标准和规范。

　　迄今为止，团队与厦门公司共同研制了 8.5 米、10 米、12 米等一系列的氢燃料电池客车，并已在广东佛山、浙江湖州、福建福州、湖北武汉等地累计销售与订购 320 余辆，总产值超过 4.2 亿元。