近年来，基于离子电子机制的触觉传感器因其优异的压力敏感性而广受关注。在离子电子器件中，离子导电材料与电极之间形成的双电层（EDL）可以显著提升传感器的性能。与传统传感器依赖更大物理空间和复杂电信号处理不同，双电层能够将电荷分离距离缩小至1纳米以下，从而大幅提高压力传感器的灵敏度。水凝胶作为常见的离子导电材料，已有研究通过设计圆顶或金字塔等表面微结构来增强传感性能。然而，这些结构在高压下会失去变形能力。其他研究探索了可填充微结构，以改善高压下的变形能力，但随机模板的使用可能影响传感器的一致性。此外，离子水凝胶对温度敏感，温度波动会干扰压力信号。通常需要额外的结构来监测温度变化并减轻其对压力信号的影响。然而，涉及多层结构的多功能传感方法可能增加传感器设计的复杂性。
为了解决上述问题，哈工大胡平安团队开发了一种具有水母仿生结构的压力-温度传感器。该传感器的敏感层通过水凝胶和柔性框架的结合实现定向溶胀。这种设计不仅在很大范围内保持了水凝胶的高灵敏度（4605 KPa-1），采用乙二醇作为保水混合溶剂依旧可以达到1716 KPa-1的压力灵敏度。此外，可以通过离子导电水凝胶迁移率变化引起的电阻变化来检测温度，从而消除了对额外结构的需要。因此，离子导电水凝胶同时充当压力和温度传感层，分别提供电容和电阻信号。通过利用单个传感元件中电容和电阻响应温度和压力变化的独特响应特性，该器件能够同时测量温度和压力。采用神经网络作为数据处理方法，建立电容/电阻信号与压力/温度之间的映射关系，从而实现传感器校准。该研究以题为” Jellyfish-Inspired High-Sensitivity Pressure-Temperature Sensor” 在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
水母的身体由一种称为“中胶质”的凝胶状物质组成。“与难以保持形状的水凝胶不同，水母的身体可以保持稳定的伞状结构，并在变形后迅速恢复到原始形态。这种稳定性是由于分布在“中胶质”内的纤维网络，这有助于保留凝胶的固有性质，同时保持结构稳定性。
受水母结构的启发，作者开发了一种具有柔性框架的仿生水凝胶，模仿水母的凝胶和纤维支撑。这种仿生结构通过控制水凝胶的取向和溶胀以及柔性框架材料来实现，旨在增强传感器的结构稳定性和灵敏度（图2a）。图2b显示了水凝胶溶胀前后的比较。九个阵列样本的使用表明，这种敏感组件可以批量生产，同时保持一致性，图2c显示了水凝胶的均匀的内部网络结构，其有助于溶胀并保持凝胶的形状， PAM-Alg水凝胶表现出均匀的多孔结构，具有大微米孔结构、更光滑的孔表面和互连的网络，这增强了水凝胶的机械性能，这种结构与水母凝胶层的微观结构类似。当向器件施加压力时，纯水水凝胶器件的最大灵敏度为4605 KPa⁻¹，而乙二醇与水溶剂比为6:4的凝胶器件显示出最大灵敏度为1716 KPa⁻¹，如图3a所示。随着压力的增加，水凝胶在50 KPa左右与底部电极接触，并短暂增加了灵敏度。在200 KPa下，该器件的灵敏度为158 KPa⁻¹，仍然高于大多数器件（图3a）。当向传感器表面施加2 Pa的压力时，观察到显著的响应（图3b）。此外，为了评估传感器的分辨率和稳定性，在高压下进行了小压力辨别测试。这些测试包括施加10 KPa，然后重复施加0.1 KPa的小压力（图3c），以及施加20 KPa，然后重复施加0.1 KPa（图3d）。该仿生结构器件在小压力下表现出稳定的电容信号，保持良好的传感准确性。图3e表明低压下的响应时间为30 ms。仿生结构的水凝胶不仅支持定向变形，而且还在压力加载过程中提高了重复性。图3f显示了不同压力下的加载和卸载循环测试，揭示了电容值随着施加压力而逐渐增加，同时在不同压力循环中表现出稳定和连续的循环特征。该传感器通过水凝胶内的离子迁移率的变化来响应温度变化，产生可变的电阻信号输出。具体来说，电阻随着温度的升高而降低（图4a）。在30°C至60°C的温度范围内，该传感器表现出稳定且连续的响应，电阻温度系数为-1.64%°C-1，如图4b所示。传感器的温度响应显示出出色的线性度，线性回归系数（R²）为0.97535。图4c说明了传感器在30°C至32°C之间加热和冷却循环期间的可重复性和稳定性。图4d显示了传感器对间隔1°C的连续加热的响应，其中电阻随着温度升高而减小，表明稳定且连续的温度检测信号。图4e显示了传感器对44°C和62°C热水的接近和抽出的响应。当热水接近传感器时，电阻迅速下降，当热水被移除时，电阻返回到初始值。用更热的水重复实验会导致更明显的电阻下降。图4f显示了传感器对手重复接近和撤回的相对阻力响应，凸显了其在检测与人体接近时出色的可重复性和稳定性。前面的部分介绍了该器件的单独压力和温度传感性能，并将这些变化归因于外部结构和内部离子效应（图5a）。作者接下来研究温度和压力对器件的综合影响，如图5 b所示。电容测量表明电容随着温度升高而增加（间隔3°C）。这表明电容信号受到压力和温度的影响，较高的温度会增强离子迁移率并导致更明显的电容变化。在30°C至50°C的温度范围和0 KPa至150 KPa的压力范围内测试了电容和电阻响应。结果表明，初始电容值在不同温度下保持相对稳定，但温度升高会增强压力敏感性，导致电容显著增加。相比之下，初始电阻值随着温度的升高而显著降低，而电阻随着压力的升高而降低。为了解决温度和压力对电容和电阻信号的综合影响，作者提出了一种新的传感器设计，该设计允许通过单个传感元件的电容和电阻响应独立测量压力和温度，而无需额外的结构。此外，通过该设计，电容和电阻对压力和温度的响应在灵敏度上有显著差异，变化趋势也截然不同，这使得温度和压力信号分离成为可能。使用数据处理方法神经网络，建立了电容-电阻和温度-压力之间的映射关系，从而实现了精确的多刺激测量。总结：本研究提出了一种仿生水母结构的离子-电子机制的压力-温度传感器，具有较高的压力灵敏度。仿生柔性骨架设计增强了传感器的压力稳定性。此外，离子导电水凝胶可以通过电阻的变化来响应温度变化，而无需额外的结构组件。利用单个传感元件的电容和电阻对压力和温度的不同响应特性，结合神经网络作为数据处理方法，实现温度和压力的同时测量，同时克服了用于压力传感的离子水凝胶中的温度干扰问题。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417715声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
