- 貓胡須的 “觸覺智慧”：催生下一代高靈敏可穿戴壓力傳感器
- 來源：信州大學 發表于 2025/9/11
當人們驚嘆于貓咪在黑暗中精準避障、輕觸獵物便知細節的 “超能力” 時，很少有人意識到，這份敏捷背后的關鍵 “裝備”—— 貓胡須（觸須），正為可穿戴電子技術帶來革命性啟發。近日，日本信州大學朱春紅副教授團隊以貓胡須的生物結構為藍本，研發出一種基于生物基纖維 / 海藻酸鈉氣凝膠（BFAs）的柔性壓力傳感器，其兼具高靈敏度、強耐用性與環保屬性，為智能穿戴設備在健康監測、運動分析等領域的應用開辟了新路徑。
隨著健康管理、運動科學和人機交互需求的激增，柔性壓力傳感器已成為可穿戴電子領域的核心組件。其中，壓阻式傳感器因結構簡單、信號易讀取、易集成等優勢備受青睞，但傳統設計始終面臨三大瓶頸：對形變的適應性差、長期使用靈敏度衰減、生產過程能耗高且難規�；�。朱春紅團隊的突破，始于對貓科動物感官系統的深入觀察�！柏堖涞拿艚菪院透兄�，很大程度上依賴于其高度發達的觸須（vibrissae）系統�！� 朱春紅副教授解釋道。貓的觸須并非普通毛發，而是嵌入特殊的 “毛囊竇復合體（FSCs）” 中 —— 這種結構能像 “信號放大器” 一樣，將微弱的機械擾動（如氣流變化、物體輕觸）轉化為神經信號，讓貓咪即使在完全黑暗中也能感知環境細節。這一發現為解決傳感器痛點提供了新思路：若能模仿觸須的 “信號捕捉” 能力與 FSCs 的 “信號放大” 功能，或許能突破現有技術局限。團隊最終決定以環保的生物基材料為核心，構建兼具靈敏度與穩定性的新型氣凝膠結構。
為實現對貓胡須系統的精準仿生，團隊在材料選擇與結構設計上進行了多重優化。在核心材料方面，團隊選用大麻微纖維（HFs）作為基底，這種天然纖維不僅強度高、韌性好，還具備完全可降解的環保屬性，完美契合可持續發展需求。為提升其導電性與耐用性，研究人員通過 “原位聚合” 技術，在大麻微纖維表面均勻涂覆一層聚苯胺（PANI），形成 “聚苯胺包覆大麻微纖維（PHFs）”，這一步驟不僅讓纖維具備了導電能力，還強化了材料間的界面附著力，為后續結構穩定性打下基礎。隨后，PHFs 與海藻酸鈉（一種天然多糖，常作為綠色粘合劑）混合，通過 “冷凍協同組裝” 工藝形成氣凝膠，這種工藝無需高溫碳化（傳統碳氣凝膠的高能耗步驟），僅通過低溫冷凍即可構建出多孔、超輕的三維結構 —— 最終形成的 BFA 氣凝膠密度極低，每克材料的體積可輕松填充多個立方厘米。在結構設計上，BFA 氣凝膠精準復刻了貓胡須系統的功能分工：PHFs 纖維網絡模仿貓的觸須，負責捕捉外部微弱機械信號（如手指按壓、脈搏跳動），并將其傳遞至整個結構；多孔腔室結構則模仿 FSCs 的竇腔，當外部壓力作用時，腔室會發生輕微形變，像 “緩沖墊” 一樣吸收壓力沖擊，同時將信號放大 —— 這種放大效應能讓傳感器對極小壓力（如幾帕斯卡）也產生明顯響應。當壓力消失時，多孔結構的彈性會讓氣凝膠迅速恢復原狀，確保長期使用后性能不衰減。
經過實驗測試，BFA 基傳感器的性能遠超傳統產品，多項關鍵指標達到行業領先水平：其靈敏度達到 6.01 kPa;，能精準捕捉到頸動脈脈搏的微小波動（脈搏壓力通常僅幾到幾十帕斯卡），甚至能識別手指輕劃時的壓力差異；響應時間僅 255 毫秒，比人類眨眼速度（約 300 毫秒）更快，可實時追蹤動態變化（如運動中的肢體動作）；最令人驚嘆的是其抗壓恢復能力 —— 僅 0.048 克重的 BFA 氣凝膠，在承受 500 克重量（相當于自身重量的 10400 倍）壓迫 10 秒后，幾乎能完全恢復原狀，這一抗壓強度是已報道納米纖維氣凝膠的近兩倍，徹底解決了傳統傳感器 “易變形、難恢復” 的問題。這些性能優勢讓傳感器的應用場景得以全面拓展：在生理健康監測領域，它貼附于頸部時可清晰捕捉頸動脈脈搏信號，幫助分析心率、心律等指標，為心血管健康監測提供無創解決方案；在人機交互方面，用于手寫板時能通過筆尖壓力差異識別書寫軌跡，甚至支持摩爾斯電碼傳輸（通過按壓力度和時長區分 “點” 與 “劃”），為特殊場景（如嘈雜環境、殘障人士輔助）的信息交流提供新方式；在運動科學領域，將其集成于羽毛球拍握柄或運動員腕帶，可實時捕捉不同發球技術（如正手發球、反手發球）時的壓力變化，為教練分析動作規范性、優化運動員發力技巧提供數據支持。
“我們的設計不僅解決了性能問題，更避開了傳統傳感器生產中的高能耗、高污染環節。” 朱春紅副教授強調。相比依賴石墨烯、碳納米管等材料的傳統傳感器，BFA 基傳感器以天然生物質為原料，生產過程無需高溫碳化，且材料可降解，完美契合 “綠色電子” 的發展趨勢。同時，“冷凍協同組裝” 工藝易于規模化生產，為其商業化應用奠定了基礎。目前，該研究成果已發表于國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202512177）。業內專家認為，這種 “從自然中獲取靈感、以環保材料實現突破” 的思路，不僅推動了可穿戴壓力傳感器的技術升級，更為整個柔性電子領域提供了 “性能與可持續性兼顧” 的研發范式 —— 未來，或許還會有更多來自生物界的 “小智慧”，催生出改變生活的 “大技術”。
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