仿生多孔弹性体传感器(TPU/CB/CF)的跨尺度力学感知：从生理监测到微牛顿级力识别

本文报道了一种受触觉小体(Meissner's corpuscles)启发的仿生多孔弹性体传感器(TPU/CB/CF)，通过NaCl牺牲模板法制备的TPU基复合多孔材料展现出卓越性能：超高灵敏度(7.23 kPa?1)、超快响应/恢复时间(14.3 ms/16.3 ms)和20,000次循环稳定性。该器件实现了从生理信号实时监测到0-160 mN微力识别的跨尺度检测，4×4阵列更可解析微米级滑动轨迹。这项研究为可穿戴医疗诊断(Wearable diagnostics)和电子皮肤(E-skin)提供了创新解决方案。

　　

亮点
受触觉小体(Meissner's corpuscles)启发的TPU/CB/CF多孔弹性体传感器实现突破性性能：
• 创纪录的7.23 kPa^?1超高灵敏度
• 闪电般的14.3/16.3 ms响应/恢复速度
• 20,000次压力循环后电阻漂移<5%
• 0-160毫牛顿(mN)超精细力分辨率
• 4×4阵列实现微米级滑动轨迹追踪

材料与化学试剂
本研究采用热塑性聚氨酯弹性体(TPU, Elastollan 35A)、氯化钠(NaCl)、导电碳黑(CB)、导电碳纤维(CF)等材料，所有试剂均未经纯化直接使用。

仪器设备
实验使用扫描电镜(SEM)、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)等设备进行材料表征。

纤维复合多孔导电弹性体的性能优化
热重分析显示TPU材料具有约270°C的热分解起始温度，确保传感器在高温下的可靠性。SEM图像揭示碳纤维在孔隙中的独特"插座式"互连结构，这种仿生设计使材料在压缩时能快速重建导电通路。通过系统优化，确定NaCl:CB:CF:TPU的最佳质量比为140:3:3:20。

结论
本研究成功开发出具有金字塔形4×4微阵列的纤维增强多孔导电弹性体。该材料通过NaCl重结晶和牺牲模板法构建，其独特的互穿网络结构实现了压力传感性能的突破，为智能医疗和机器人触觉提供了创新解决方案。