第一作者：林静（导师）

第二作者：李晔（学生）

共同通讯作者：林静、胡德超、罗坚义、刘岚

背景介绍及内容概述

柔性应变传感器长期面临灵敏度、线性度与检测范围难以协同优化的核心瓶颈，实现高灵敏、高线性、宽量程一体化传感，对推动可穿戴电子、人机交互与健康监测领域的发展具有重要意义。尽管基于裂纹、褶皱及多孔结构的传统柔性传感器已被广泛应用于人体运动与生理信号检测，但这类器件普遍存在高灵敏度与宽量程难以兼顾、大形变下线性度差的固有矛盾，导致输出信号非线性失真严重、后期校准复杂，难以满足高精度穿戴监测与实时交互的严苛需求。因此，构建兼具仿生结构设计与高效传感机制的新型柔性应变传感器，成为突破现有性能瓶颈的关键途径。

近日，五邑大学应用物理与材料学院、柔性传感材料与器件研究开发中心林静博士与罗坚义教授团队，联合佛山大学、华南理工大学，受皱叶荚蒾叶片不对称微结构启发，提出一种表面褶皱工程调控策略，成功构筑仿生Janus弹性体应变传感器，实现了宽量程、超高线性的力学信号精准检测。该传感器由致密微褶皱天然橡胶/石墨烯（NR/GRs）上层与疏松天然橡胶/碳纳米管（NR/CNTs）下层复合而成，通过简便的逐层真空过滤与预拉伸策略实现可控制备。研究提出褶皱诱导微裂纹、应变分区响应、并联导电通路三阶段协同传感新机制，借助模量梯度设计与界面应力调控，成功实现传感器在全量程范围内的电阻线性稳定输出。经系统测试，该传感器在0-100% 应变范围内实现超高线性响应（R²>0.999），同时具备高灵敏度（灵敏度系数GF>14）、超宽检测量程（＞400%）、极低检测下限（0.1%）以及快速响应/恢复特性（分别为0.16 s与0.16 s）；并可在1000次循环加载下保持优异的稳定性与可靠性。在人体脉搏、关节运动、面部表情等生理信号的高精度监测，以及智能手套手势识别、人机交互与机械臂协同控制等场景中，该传感器均已得到有效验证，充分显示出其在高端柔性电子与智能穿戴系统中的重要应用价值与广阔前景。

本工作以“Ultrahigh-Linear Bio-Inspired Janus Elastomeric Strain Sensor with High Sensitivity and Stretchability via Surface Wrinkle Engineering”为题。发表在Advanced Science上。

论文具体工作内容

图1 微皱褶Janus薄膜的设计原理与应用。(a)皱叶荚迷植物和具有微皱纹结构的仿生Janus薄膜的示意图；(b)，(c)NR/CNTs、无褶皱NR/CNTs@NR/GRs和微褶皱NR/CNTs@NR/GRs薄膜的电子传输路径和电信号响应示意图；(d)基于微皱褶Janus薄膜的传感器在人体运动控制与人机交互中的应用。

图2 微皱褶Janus结构NR/CNTs@NR/GRs薄膜的制备、结构表征及力学性能。(a)微皱褶Janus薄膜的制备示意图。(b-d)含NR/CNTs和NR/GRs层的微皱褶Janus薄膜的表面截面和横截面SEM照片。(e)微皱褶Janus薄膜中NR/GRs层的横截面SEM。(f)，(g)含不同GRs含量的微皱褶Janus薄膜的典型应力-应变曲线及相应力学性能。(h)微皱褶Janus薄膜中NR/GRs层断裂的示意图。(i)微皱褶Janus薄膜在200%预拉伸应变前后五次循环下的应力-应变滞后回线曲线。(j-m)含60phrGRs的微皱褶Janus薄膜在100%、200%和300%预拉伸应变下的SEM图像。ANSYS不同皱褶含 量(n)和不同GRs含量(o)的微皱褶Janus薄膜应力分布的力学模拟。

图3 微皱褶Janus结构NR/CNTs@NR/GRs薄膜的传感机理：(a-d)传感器在不同应变下的SEM图像；(a₁-d₁)，(a₂-d₂)传感器在不同应变下的结构示意图及导电路径；(a₃-d₃)传感器在不同应变下的等效电路图；(e-g)纯NR/CNTs、NR/GRs、拟合平行模型(R_F)以及我们设计的微皱褶Janus结构NR/CNTs@NR/GRs薄膜(R_T)的电阻响应

图4 NR/CNTs@NR/GRs-60微皱褶Janus结构薄膜的应变传感性能表征：(a)传感器在宽应变范围内的相对电阻变化（ΔR/R₀）及对应响应因子（GF）；(b)传感器在100%拉伸应变条件下的相对电阻响应及线性拟合结果；(c)传感器在不同拉伸应变状态下的电流-电压（I-V）特性曲线；(d)传感器在60%固定应变下、不同拉伸速率条件下的相对电阻响应；(e)在20%-120%应变范围内，以100 mm/min拉伸速率进行循环测试时的相对电阻响应；(f)传感器在1%微小应变条件下的响应/恢复时间曲线；(g)在60%应变下进行1000次循环拉伸-释放过程中的实时电阻变化；(h)本工作所制备传感器与其他已报道应变传感器在综合性能方面的对比分析

图5 传感器在人体运动检测、智能感知与识别中的应用：(a)信号传输流程示意图；(b-c)脉搏与手指弯曲的信号输出；(d)智能手套示意图，包含手势识别与人机交互的核心硬件电路结构；(e)对应26个英文字母和10个阿拉伯数字的摩尔斯电码序列；(f)“LOVE”和“WYU”的摩尔斯电码编码示例；(g)典型手势及其对应信号输出；(h)A至F手势识别结果的混淆矩阵；(i)机械手分别抓取万用表和智能手机的摄影示意图；(j)机械手抓取与释放动作的电信号 

总结与展望

本研究受皱叶荚蒾叶片不对称微结构启发，通过简便的逐层真空过滤与预拉伸策略，成功制备出具有微褶皱结构的NR/GRs@NR/CNTs Janus导电弹性复合材料。通过调控石墨烯填充含量与预拉伸应变，构建出上层致密高模量、下层疏松高延展性的异质双导电网络，层间经硫化形成稳固过渡界面，有效缓解应力集中，赋予复合材料优异的力学与传感协同性能。研究表明，该传感器依托褶皱引导定向微裂纹、应变分段响应、上下层并联导电的三阶段协同传感机制，实现了全量程稳定线性输出：在0-100% 应变范围内达到超高线性（R²>0.999），灵敏度系数GF>14，检测范围突破400%，检测下限低至0.1%，响应/恢复时间仅0.16 s/0.16 s，并可稳定承受1000次循环加载而性能无明显衰减，综合性能优于多数已报道的柔性应变传感器。该传感器已成功应用于人体脉搏、吞咽、面部表情、关节运动等多尺度生理信号监测，并集成于智能无线手套，实现高精度手势识别、摩斯密码传输、机械臂协同控制等人机交互场景，在智能可穿戴电子、健康监测、人机交互系统中展现出突出的实用价值。

本研究提出的仿生微褶皱Janus结构设计，为解决柔性应变传感器灵敏度、线性度、检测范围难以协同优化的关键难题提供了简单高效的新策略。未来可进一步拓展材料体系、优化器件封装与集成工艺，提升环境适应性与规模化制备能力，推动其在柔性机器人、医疗诊断、智能穿戴终端等领域实现更广泛的应用。

作者及团队介绍

第一作者及共同通讯作者：林静，应用物理与材料学院副教授，硕士生导师，江门市二级高层次人才。研究方向为功能弹性体复合材料及半导体光电材料研究，主持广东省自然科学基金面上项目与广东省基础与应用基础研究区域联合基金项目。以第一作者/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Advanced Science、Small、Chem. Eng. J、ACS Appl. Mater. Interfaces等权威期刊上发表SCI论文24篇，EI论文4篇，获授权发明专利3项。

第二作者：李晔，男，五邑大学应用物理与材料学院2023级材料与化工硕士研究生。

共同通讯作者：胡德超，博士，佛山大学材料与能源学院副教授，硕士生导师，主要从事高分子改性与功能复合材料方面的研究，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金面上项目、广东省基础与应用基础研究区域联合基金、广东省普通高校特色创新项目、教育部产学合作协同育人等多个项目。以第一/通讯作者在Adv. Sci.、Compos. Sci. Technol.、Adv. Compos. Hybrid Mater、Chem Eng J、ACS Appl Mater Interfaces、Carbohydr Polym等期刊发表论文40余篇，入选封面论文3篇；已授权国家发明专利14件。

共同通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），国务院政府特殊津贴专家（2023），省级领军人才，广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师，江门市首届“侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市“十佳教师”。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。

共同通讯作者：刘岚，华南理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，University of Connecticut高级访问学者。研究方向为功能高分子材料与柔性电子功能材料的结构、性能与应用。先后主持了多项国家自然科学基金面上项目、广东省及广州市科技重点项目、广东高效科技创新重点项目、中央高校基本科研业务费重点项目等；并作为主要参加者参与了国家“863计划”、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金广东省联合基金、广东省战略性新型产业核心技术攻关项目及广州市科技计划项目等研究工作。相关研究先后在Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.以及Chem. Eng. J.等国际权威期刊发表SCI论文100余篇。申请国家专利90多项，其中获授权发明专利35项。

附文献及DOI号：

Ultrahigh-Linear Bio-Inspired Janus Elastomeric Strain Sensor with High Sensitivity and Stretchability via Surface Wrinkle Engineering
https://doi.org/10.1002/advs.202524269