柔性可穿戴设备的迅速发展，使压力传感器在健康监测、人机交互和工业检测中展现出广阔应用前景。传统的压电、电容、摩擦电与光学型压力传感器虽各具优势，但普遍存在灵敏度有限、检测范围受限或材料不可降解等问题。作为地球上最丰富的天然高分子资源，纤维素具有无毒、可降解和可持续的特性，成为开发绿色柔性传感器的理想选择。然而，由于纤维素分子中氢键和范德华力作用强，其模量过高，导致制备的传感器灵敏度不足，难以满足对低压信号和宽范围压力检测的需求。人类皮肤因梯度层状结构而具备卓越的压力感知能力，这启发了研究者通过仿生设计提升纤维素传感器性能。本研究提出了一种仿生分层多孔纤维素水凝胶结构，有效解决了高灵敏度与宽检测范围难以兼顾的难题。
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本文要点
1. 仿生设计与结构优化。构建了软层（大孔隙，低模量）与硬层（微孔隙，高模量）相结合的分层多孔水凝胶结构，模拟皮肤表层与真皮层的梯度特征，实现低压下高灵敏度与高压下结构支撑的协同。
2. 性能表现优异。经离子浸润处理后，水凝胶的导电性与介电性能显著提升，传感器表现出高达 1622 kPa⁻¹ 的灵敏度、1.6 Pa 的最低检测限、160 kPa 的检测范围和 33 ms 的快速响应时间，全面优于大多数现有纤维素传感器。
3. 多场景应用拓展。该传感器可用于人体健康监测（如脉搏、眉部动作、关节运动）、设备故障诊断（如吹风机、真空泵振动异常监测）及二维压力分布检测（如足底压力分布与步态分析），展现出医疗、工业及运动领域的应用潜力。
图1.HPCH分层多孔结构仿生人类皮肤的层级设计原理示意
图2.水凝胶的宏/微观结构表征及力学性能对比
图3.传感器灵敏度、响应时间、耐久性等性能测试结果
图4.传感器在健康监测和设备故障诊断中的应用示例
图5.基于HPCH的二维压力分布检测与足底压力监测应用
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研究结论
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压力传感器。其软层提供高变形性以提升低压灵敏度，硬层则保证整体结构在高压下的稳定性与耐久性。通过简单的离子浸润处理，进一步增强了材料的导电性与介电特性，使传感器在灵敏度、检测范围、响应速度和耐久性方面均实现突破。实验结果显示，该传感器在多种复杂场景中均能实现快速、准确、稳定的信号检测，凸显了其作为下一代绿色压力传感材料的巨大应用前景。研究不仅为纤维素基柔性传感器的性能提升提供了有效策略，也为天然高分子在可穿戴电子和智能诊断中的应用开辟了新路径。
文献：
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01718-z
审核编辑 黄宇
