聚氨酯海绵变身“压力传感器” 成本仅为5分/立方厘米

　　一块不起眼的海绵，加上一点更不起眼的碳黑，就可以造出超灵敏的压力检测器。近日，来自四川大学高分子研究所卢灿辉与张新星研究团队就发明出了这样的用于压力灵敏检测的复合材料。

　　柔性高灵敏压力检测装置在诸多领域都有着重要的应用，如机器人设计、电子皮肤、医用器械等。压电材料是这个领域的一大“法宝”，但是它在检测低值压力方面往往捉襟见肘。近些年来，虽然学界通过微纳组装材料的设计能解决上述难题，但成本居高不下。卢灿辉与张新星研究团队的最新研究成果，在保留了压力传感材料的优异性能外，极大地降低了其制作成本。

　　物美价廉的材料

　　他们的方案是使用普通聚氨酯海绵和碳黑，利用特殊的层层组装技术，研究者可以将多层带相反电荷的碳黑颗粒较均匀地涂覆在海绵的骨架之上。之所以利用了碳黑，是为了让海绵获得导电性质。这种方式制作的材料成本为5分/cm3。

　　(图a：制作碳黑@聚氨酯海绵的基本过程。图b&c：复合了碳黑前后的海绵。图d-f：初始聚氨酯海绵的SEM图。图g-i：表面复合了碳黑的海绵的SEM图。)

　　那么，这样一种海绵为什么能够检测压力呢?原来，海绵在受到压力后，其骨架上的碳黑涂层会受到破坏，产生一些微小的缝隙，这些缝隙会造成宏观上的导电性能的下降，因此只要监测海绵的导电性，就可以检测压力的变化。

　　(图c&d：压缩后海绵骨架上可以观察到的微小裂缝。图g&h：无压力和施加压力状态下的海绵骨架。图i：先后经过微小形变与巨大形变的海绵骨架示意图。)

　　值得一提的是，如果形变继续增加，海绵骨架之间就会彼此接触，因此宏观导电性能反而会上升。因此，压力与导电性能的关系体现为上述两种影响方式的协同效果。也正是因为这两种关系的存在，材料对于微小形变与巨大形变都可以监测。此外，材料有着很好的耐用性，经过多达5000次的循环形变后，主要指标依旧可以维持。同时具有超快的响应速度(<20ms)。

　　(图i：将材料构成电路，可以检测出吹气带来的压力变化。不同力度的吹气产生的响应电流有着明显的不同，表明这种材料具有非常高的灵敏度。图j：在材料上放置一粒大米带来的压力也能被检测出来。)

　　多样的使用场景

　　这种材料的应用非常多样，研究者用其构建了声音识别装置与动作识别装置。

　　(图a:研究者将其粘在喉咙处。利用生理活动过程对材料施加的微小压力来监测不同的行为。图b：周期性地说出bee，dog，snake，mosquito等不同的单词，产生的电流模式也明显不同。图c-e：喉咙进行吞咽、咳嗽、咀嚼等不同的动作时，其电流模式也明显不同。)

　　以上说明了这种材料在监测微小形变上的应用。在巨大形变上的监测表现上也同样适用。

　　(在手指处或者肘部粘贴这种材料并构建电路，弯曲手指或者肘部均可以检测到电流的巨大变化。)

　　另外，这种材料也可以监测脉搏，或构建电子“皮肤”。

　　该课题组的这项发明，有望在多种可穿戴设备、医疗设备、电子设备中得到应用。