基于石墨烯气凝胶的柔性压力传感器：用于生理信号检测与人机交互

• 通过冷冻浇铸法制备了还原氧化石墨烯气凝胶（RGOA），其具有超轻密度（10 mg cm⁻³）和独特的各向异性结构，这些特性为压力传感提供了优势。
• 基于RGOA的压力传感器灵敏度高达698.96 kPa⁻¹，检测范围宽达100 kPa，循环稳定性超过20,000次。
• 将RGOA与机械臂集成，可实现远程操作、带力反馈的脆弱物体稳定抓取，以及100%准确率的食品识别。

引言：触觉传感技术的演进

软体机器人、可穿戴健康监测和人机交互（HMI）的快速发展，使得人们迫切需要能够模拟人体皮肤复杂触觉特性的柔性压力传感器。理想情况下，这些传感器应具备高灵敏度，能够检测细微的生理信号（例如脉搏），同时保持宽广的检测范围，以应对强力交互（例如抓握）。传统的柔性传感器往往难以平衡这两个要求，通常为了提高耐用性或扩大检测范围而牺牲灵敏度。

由Li Yang教授和Gaofeng Shao教授领导的研究团队通过开发一种各向异性还原氧化石墨烯气凝胶（rGOA）解决了这一难题。他们的研究成果发表在 Nano-Micro Letters 上，展示了如何利用结构仿生学和先进的冷冻铸造技术来制造性能卓越且具有多功能集成能力的传感器。

结构创新：通过冷冻铸造实现各向异性

该传感器卓越性能的核心在于其独特的内部结构。与在各个方向上都具有均匀海绵状结构的各向同性气凝胶不同，本研究开发的还原氧化石墨烯气凝胶（rGOA）具有高度有序的各向异性蜂窝状结构。

这种结构是通过双向冷冻铸造工艺实现的。研究人员通过控制氧化石墨烯前驱体冷冻过程中的温度梯度，使冰晶沿特定方向生长。这种“模板”决定了石墨烯片的排列方式，最终形成类似于某些生物组织层状结构的微结构框架。这种各向异性至关重要，因为它使气凝胶能够在外部压力下可预测且高效地变形，从而最大限度地增加石墨烯层之间的接触面积。

传感机制：接触与几何结构的协同作用

rGOA传感器的高灵敏度源于“接触电阻”机制。当施加压力时，石墨烯气凝胶内部的层状结构相互接触。

1. 微观尺度的接触变化：由于石墨烯片层超薄且排列成层级结构，即使是微小的力也会导致接触点数量显著增加。这导致材料整体电阻急剧下降，从而转化为高保真度的电信号。
2. 宽广的检测范围：各向异性设计确保气凝胶在低压下不会完全坍塌，从而保留其结构“余量”以承受更高的负载。这使得传感器能够在从羽毛般的轻柔触碰到工业操作的重压等宽广的压力范围内保持线性灵敏度。

从生理监测到人机交互

rGOA传感器的实用性已在多个高影响力应用场景中得到验证：

1. 健康监测：由于其卓越的灵敏度，该传感器可集成到可穿戴贴片中，用于实时监测生理信号。它能够精确捕捉人体桡动脉脉搏中细微的“D波”和“P波”特征，为心血管健康评估提供关键数据。
2. 智能机器人与远程操作：研究人员将rGOA传感器集成到机器人机械臂中，以提供“力反馈”。在远程操作设置中，佩戴传感手套的操作员可以“感知”到远处机械臂抓取物体的阻力。这使得机械臂能够稳定地抓取易碎物品，例如鸡蛋和豆腐，而不会造成损坏。
3. 人工智能与识别：通过将传感器数据与机器学习算法相结合，该团队开发了一种能够识别食物的“智能手指”。该传感器能够根据每种食物在按压和释放循环中独特的机械“特征”或刚度，以 100% 的准确率区分不同类型的食物（例如面包、水果、肉类）。

耐久性和环境稳定性

对于可穿戴设备和机器人应用而言，长期可靠性至关重要。基于还原氧化石墨烯气凝胶（rGOA）的传感器展现出卓越的循环稳定性，在超过 20,000 次压缩循环后仍能保持其性能。还原氧化石墨烯框架本身具有稳定性，且能抵抗环境降解，确保传感器即使在各种条件下长期使用后仍能保持精度。此外，气凝胶的超轻密度使其几乎不会增加可穿戴设备的重量，从而提升用户舒适度。

结论与展望

各向异性石墨烯气凝胶的开发是柔性电子领域的一个重要里程碑。研究人员通过超越简单的材料组成，转向复杂的结构工程，创造了一种在灵敏度和多功能性方面均可媲美生物系统的触觉传感平台。

这项工作为未来“电子皮肤”的发展提供了蓝图。随着人工智能和机器人技术不断融入我们的日常生活，这些高性能的石墨烯传感器将成为使机器能够更安全、更精细、更智能地与世界和人类互动的关键。

文献信息

• ARTICLE TITLE

Graphene Aerogel‑Based Flexible Pressure Sensor for Physiological Signal Detection and Human–Machine Interaction

• DOI

10.1007/s40820-026-02109-8