猫胡须的 “触觉智慧”：催生下一代高灵敏可穿戴压力传感器

当人们惊叹于猫咪在黑暗中精准避障、轻触猎物便知细节的 “超能力” 时，很少有人意识到，这份敏捷背后的关键 “装备”—— 猫胡须（触须），正为可穿戴电子技术带来革命性启发。近日，日本信州大学朱春红副教授团队以猫胡须的生物结构为蓝本，研发出一种基于生物基纤维 / 海藻酸钠气凝胶（BFAs）的柔性压力传感器，其兼具高灵敏度、强耐用性与环保属性，为智能穿戴设备在健康监测、运动分析等领域的应用开辟了新路径。

随着健康管理、运动科学和人机交互需求的激增，柔性压力传感器已成为可穿戴电子领域的核心组件。其中，压阻式传感器因结构简单、信号易读取、易集成等优势备受青睐，但传统设计始终面临三大瓶颈：对形变的适应性差、长期使用灵敏度衰减、生产过程能耗高且难规模化。朱春红团队的突破，始于对猫科动物感官系统的深入观察。“猫咪的敏捷性和感知力，很大程度上依赖于其高度发达的触须（vibrissae）系统。” 朱春红副教授解释道。猫的触须并非普通毛发，而是嵌入特殊的 “毛囊窦复合体（FSCs）” 中 —— 这种结构能像 “信号放大器” 一样，将微弱的机械扰动（如气流变化、物体轻触）转化为神经信号，让猫咪即使在完全黑暗中也能感知环境细节。这一发现为解决传感器痛点提供了新思路：若能模仿触须的 “信号捕捉” 能力与 FSCs 的 “信号放大” 功能，或许能突破现有技术局限。团队最终决定以环保的生物基材料为核心，构建兼具灵敏度与稳定性的新型气凝胶结构。

为实现对猫胡须系统的精准仿生，团队在材料选择与结构设计上进行了多重优化。在核心材料方面，团队选用大麻微纤维（HFs）作为基底，这种天然纤维不仅强度高、韧性好，还具备完全可降解的环保属性，完美契合可持续发展需求。为提升其导电性与耐用性，研究人员通过 “原位聚合” 技术，在大麻微纤维表面均匀涂覆一层聚苯胺（PANI），形成 “聚苯胺包覆大麻微纤维（PHFs）”，这一步骤不仅让纤维具备了导电能力，还强化了材料间的界面附着力，为后续结构稳定性打下基础。随后，PHFs 与海藻酸钠（一种天然多糖，常作为绿色粘合剂）混合，通过 “冷冻协同组装” 工艺形成气凝胶，这种工艺无需高温碳化（传统碳气凝胶的高能耗步骤），仅通过低温冷冻即可构建出多孔、超轻的三维结构 —— 最终形成的 BFA 气凝胶密度极低，每克材料的体积可轻松填充多个立方厘米。在结构设计上，BFA 气凝胶精准复刻了猫胡须系统的功能分工：PHFs 纤维网络模仿猫的触须，负责捕捉外部微弱机械信号（如手指按压、脉搏跳动），并将其传递至整个结构；多孔腔室结构则模仿 FSCs 的窦腔，当外部压力作用时，腔室会发生轻微形变，像 “缓冲垫” 一样吸收压力冲击，同时将信号放大 —— 这种放大效应能让传感器对极小压力（如几帕斯卡）也产生明显响应。当压力消失时，多孔结构的弹性会让气凝胶迅速恢复原状，确保长期使用后性能不衰减。

经过实验测试，BFA 基传感器的性能远超传统产品，多项关键指标达到行业领先水平：其灵敏度达到 6.01 kPa;，能精准捕捉到颈动脉脉搏的微小波动（脉搏压力通常仅几到几十帕斯卡），甚至能识别手指轻划时的压力差异；响应时间仅 255 毫秒，比人类眨眼速度（约 300 毫秒）更快，可实时追踪动态变化（如运动中的肢体动作）；最令人惊叹的是其抗压恢复能力 —— 仅 0.048 克重的 BFA 气凝胶，在承受 500 克重量（相当于自身重量的 10400 倍）压迫 10 秒后，几乎能完全恢复原状，这一抗压强度是已报道纳米纤维气凝胶的近两倍，彻底解决了传统传感器 “易变形、难恢复” 的问题。这些性能优势让传感器的应用场景得以全面拓展：在生理健康监测领域，它贴附于颈部时可清晰捕捉颈动脉脉搏信号，帮助分析心率、心律等指标，为心血管健康监测提供无创解决方案；在人机交互方面，用于手写板时能通过笔尖压力差异识别书写轨迹，甚至支持摩尔斯电码传输（通过按压力度和时长区分 “点” 与 “划”），为特殊场景（如嘈杂环境、残障人士辅助）的信息交流提供新方式；在运动科学领域，将其集成于羽毛球拍握柄或运动员腕带，可实时捕捉不同发球技术（如正手发球、反手发球）时的压力变化，为教练分析动作规范性、优化运动员发力技巧提供数据支持。

“我们的设计不仅解决了性能问题，更避开了传统传感器生产中的高能耗、高污染环节。” 朱春红副教授强调。相比依赖石墨烯、碳纳米管等材料的传统传感器，BFA 基传感器以天然生物质为原料，生产过程无需高温碳化，且材料可降解，完美契合 “绿色电子” 的发展趋势。同时，“冷冻协同组装” 工艺易于规模化生产，为其商业化应用奠定了基础。目前，该研究成果已发表于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202512177）。业内专家认为，这种 “从自然中获取灵感、以环保材料实现突破” 的思路，不仅推动了可穿戴压力传感器的技术升级，更为整个柔性电子领域提供了 “性能与可持续性兼顾” 的研发范式 —— 未来，或许还会有更多来自生物界的 “小智慧”，催生出改变生活的 “大技术”。

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