随着人们环境意识增强，符合环保理念的可持续性触觉电子产品在模仿皮肤功能方面呈现出广阔的潜力，可以为生态和用户友好的健康监测提供先进预测平台。从环境角度来看，利用可再生的生物质材料取代碳密集型、不可再生的合成材料将是可穿戴触觉电子产品的重要研究方向。迄今为止，柔性触觉电子的准确触觉反馈方式之一是依赖于传感电极界面的压阻效应，利用多元化的微纳米结构设计，包括棘状结构、褶皱结构和其他几何图案(如金字塔、圆柱和穹顶等)加以优化结构可压缩性和导电通路的互连，以获得更高的灵敏度和响应范围。然而，生物质材料均质结构的空间尺度多分散性，制备的均匀功能层中直接的应力传递在高频检测中容易导致界面应力集中，造成传感性能下降。另外柔性器件往往需要权衡压力灵敏度和结构稳定性以提高高频传感场景下的高灵敏度和疲劳阈值，从而确保皮肤表面的精准稳定触觉反馈性，因此对传感层结构设计以及大面积响应器件的优化还有待进一步研究。
大量的研究工作发现，一种典型的结构加固策略与天然贝壳的非均质性微观结构有关，天然结构中较强的垂直阻尼具有较好的能量耗散效果，可以抑制明显的应力扩散和垂直冲击。北京林业大学杨俊和山东理工大学郝三伟等人在前期研究的基础上（Nat. common. 2022, 13,6472），提出了一种生态友好的多通路全纤维素集成触觉阵列，依赖于层压堆叠的传感层结构(LAHA)来缓解长期触觉评估中的循环寿命低的问题。通过与均质结构功能层的交叉验证，LAHA利用致密的层压结构，极大地促进了垂直受压状态下的面内应力分布，提供了持久可靠的感官增强(150,000次循环)。进一步以该大面积触觉阵列为核心设计了无线读取系统，实现了抗干扰性可穿戴人体姿势识别和多设备触觉时空映射同步呈现，满足实时和大面积的皮肤触觉反馈需求。
图1层压结构和均质结构垂直受力的机制差异及其在柔性电子阵列应用
循环响应耐久性是稳定感官增强最直观的证据。文中分别对LAHA和均质结构传感单元施加循环压力，LAHA传感单元能够快速稳定响应循环次数高达150,000次，与均质结构传感器较短的寿命周期和明显的信号波动(≈28.6%)形成鲜明对比。LAHA结构设计优势在全循环测试期间的信号离散分布程度差异中有明显体现，而且在穿刺实验中LAHA结构具有更高的耐力学损伤表现。利用有限元模拟可以分析出LAHA设计中具有叠层取向的片层和有效的界面耦合共同起到了很强的阻尼作用，阻碍了垂直应力弥散。其主要过程为伴随着外力加载，广泛的面内应力扩散发生在相邻层的扩大接触区域，当接触单元最大主应力达到临界值时，位于无序中心部位的弯曲和屈曲主导了逐层结构变形。
得益于上述性能评估，利用多通路阵列器件和无线传输系统可以实现人体背部触觉反馈，利用信号幅度、响应像素数量和像素位置差异有望实现准确稳定的被动触觉行为分析，临床上视觉和听觉障碍的人群可能会受益于这种触觉读取设备，从而实现人机交互能力。总体而言，在可穿戴电子产品低碳和可持续发展的背景下，文中报道的具有超循环响应寿命的可持续材料集成压力阵列实现了多性能集成，提供了天然生物质材料合理整合和独特的结构设计的新方案，有望推动面向市场应用的先进可持续柔性电子材料研究。
该研究以“A Laminated Strategy Enabled Sustainable Tactile Array with Ultra-Stable Sensory Augmentation”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。合作者许凤教授和薛志敏教授等人对本研究提供了协助和重要支持，此项研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金等项目支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410360
杨俊研究组聚焦于天然高分子软物质材料方面的研究，近年来在Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano和Chem. Mater. 等期刊上围绕揭示纤维素和木质素等天然高分子在凝胶材料界面作用及其在柔性传感器应用探索等方面研究发表一系列论文。欢迎2025届研究生加入，有意者请联系yangjun11@bjfu.edu.cn，期待与您共同进步！
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