一塊不起眼的海綿，加上一點(diǎn)更不起眼的碳黑，就可以造出超靈敏的壓力檢測(cè)器。近日，來(lái)自四川大學(xué)高分子研究所盧燦輝與張新星研究團(tuán)隊(duì)就發(fā)明出了這樣的用于壓力靈敏檢測(cè)的復(fù)合材料。

　　柔性高靈敏壓力檢測(cè)裝置在諸多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，如機(jī)器人設(shè)計(jì)、電子皮膚、醫(yī)用器械等。壓電材料是這個(gè)領(lǐng)域的一大“法寶”，但是它在檢測(cè)低值壓力方面往往捉襟見(jiàn)肘。近些年來(lái)，雖然學(xué)界通過(guò)微納組裝材料的設(shè)計(jì)能解決上述難題，但成本居高不下。盧燦輝與張新星研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，在保留了壓力傳感材料的優(yōu)異性能外，極大地降低了其制作成本。

　　物美價(jià)廉的材料

　　他們的方案是使用普通聚氨酯海綿和碳黑，利用特殊的層層組裝技術(shù)，研究者可以將多層帶相反電荷的碳黑顆粒較均勻地涂覆在海綿的骨架之上。之所以利用了碳黑，是為了讓海綿獲得導(dǎo)電性質(zhì)。這種方式制作的材料成本為5分/cm3。

　　(圖a：制作碳黑@聚氨酯海綿的基本過(guò)程。圖b&c：復(fù)合了碳黑前后的海綿。圖d-f：初始聚氨酯海綿的SEM圖。圖g-i：表面復(fù)合了碳黑的海綿的SEM圖。)

　　那么，這樣一種海綿為什么能夠檢測(cè)壓力呢?原來(lái)，海綿在受到壓力后，其骨架上的碳黑涂層會(huì)受到破壞，產(chǎn)生一些微小的縫隙，這些縫隙會(huì)造成宏觀上的導(dǎo)電性能的下降，因此只要監(jiān)測(cè)海綿的導(dǎo)電性，就可以檢測(cè)壓力的變化。

　　(圖c&d：壓縮后海綿骨架上可以觀察到的微小裂縫。圖g&h：無(wú)壓力和施加壓力狀態(tài)下的海綿骨架。圖i：先后經(jīng)過(guò)微小形變與巨大形變的海綿骨架示意圖。)

　　值得一提的是，如果形變繼續(xù)增加，海綿骨架之間就會(huì)彼此接觸，因此宏觀導(dǎo)電性能反而會(huì)上升。因此，壓力與導(dǎo)電性能的關(guān)系體現(xiàn)為上述兩種影響方式的協(xié)同效果。也正是因?yàn)檫@兩種關(guān)系的存在，材料對(duì)于微小形變與巨大形變都可以監(jiān)測(cè)。此外，材料有著很好的耐用性，經(jīng)過(guò)多達(dá)5000次的循環(huán)形變后，主要指標(biāo)依舊可以維持。同時(shí)具有超快的響應(yīng)速度(<20ms)。

　　(圖i：將材料構(gòu)成電路，可以檢測(cè)出吹氣帶來(lái)的壓力變化。不同力度的吹氣產(chǎn)生的響應(yīng)電流有著明顯的不同，表明這種材料具有非常高的靈敏度。圖j：在材料上放置一粒大米帶來(lái)的壓力也能被檢測(cè)出來(lái)。)

　　多樣的使用場(chǎng)景

　　這種材料的應(yīng)用非常多樣，研究者用其構(gòu)建了聲音識(shí)別裝置與動(dòng)作識(shí)別裝置。

　　(圖a:研究者將其粘在喉嚨處。利用生理活動(dòng)過(guò)程對(duì)材料施加的微小壓力來(lái)監(jiān)測(cè)不同的行為。圖b：周期性地說(shuō)出bee，dog，snake，mosquito等不同的單詞，產(chǎn)生的電流模式也明顯不同。圖c-e：喉嚨進(jìn)行吞咽、咳嗽、咀嚼等不同的動(dòng)作時(shí)，其電流模式也明顯不同。)

　　以上說(shuō)明了這種材料在監(jiān)測(cè)微小形變上的應(yīng)用。在巨大形變上的監(jiān)測(cè)表現(xiàn)上也同樣適用。

　　(在手指處或者肘部粘貼這種材料并構(gòu)建電路，彎曲手指或者肘部均可以檢測(cè)到電流的巨大變化。)

　　另外，這種材料也可以監(jiān)測(cè)脈搏，或構(gòu)建電子“皮膚”。

　　該課題組的這項(xiàng)發(fā)明，有望在多種可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、電子設(shè)備中得到應(yīng)用。