随着我们进入一个人机交互越来越普遍的世界，能够分析和模拟人类触感的压力传感器可能会越来越受到需求的推崇。

工程师面临的一个挑战是制作成本效益高、高度敏感的传感器，这种传感器适用于检测微妙的脉搏、操作机器人肢体和创建超高分辨率比例尺等应用。然而，一个研究团队开发出了一个能够执行所有这些任务的传感器。

这些来自宾州州立大学和中国河北工业大学的研究人员想要创建一种极为敏感、在广泛应用范围内可靠线性并具有高压力分辨率的传感器，并且能够在大压力预载情况下工作。

“传感器可以在已经施加大压力的情况下检测到微小的压力，”宾州州立大学工程科学和力学系詹姆斯·L·亨德森纪念副教授和这项研究论文的合著者程焕宇说道，该论文已经发表在《自然通讯》上。

我喜欢使用的比喻是就像在大象头上发现一只苍蝇一样，它可以测量最微小的压力变化，就像我们的皮肤对触摸一样。

Cheng受到非常个人的经历的启发，即他第二个女儿的出生，来开发这些传感器。

Cheng的女儿出生后不久就体重减轻了10%，因此医生要求他每两天称一次婴儿的体重以监测是否有额外的减轻或增重。成尝试通过在常规家用体重称上称量自己，然后再拿着孩子称量来测量婴儿的体重。

"我注意到当我把女儿放在她的毯子上，当我不再抱着她时，你没有感受到重量的变化，" 郑说。“因此，我们学到了尝试使用商业秤不起作用，它无法检测到压力的变化。”

经过尝试许多不同的方法，他们发现使用由梯度微锥形结构和超薄离子层组成的压力传感器，能够产生最有希望的电容响应。

然而，他们面临的一个持续问题是：随着压力的增加，微结构的灵敏度会降低，并且从自然物体模板化的随机微结构会导致不可控的变形和狭窄的线性范围。简单来说，当施加压力到传感器时，会改变传感器的形状，从而改变微结构与接触面积，并使读数偏离。

为了应对这些挑战，科学家们设计了可以增加线性范围而不降低灵敏度的微结构图案——它们本质上是可灵活的，因此可以在现实世界中存在的压力渐变中仍能发挥作用。他们的研究探讨了使用具有高斯光束的CO2激光器来制造可编程结构，例如梯度金字塔形微结构（GPM）用于离子传感器，这是一种软电子设备，能够模拟人类皮肤的感知功能。

与通常用于为传感器准备精细微结构图案的光刻法相比，该过程可以降低成本和工艺复杂性。

成信任任瑶溪是这个解决方案的推动者，她是他实验室的研究生，也是这项研究的第一作者。

成说："杨是一个非常聪明的学生，他提出了解决这个传感器问题的想法，这实际上就像许多小型部件的组合，巧妙地工程在一起。"

我们知道这个结构必须是微观尺度，且必须具备精细的设计。但是设计或优化这个结构是很具挑战性的，她用我们实验室里的激光系统进行研究，让这成为了可能。她在过去几年中一直非常努力地工作，并能够探索所有不同的参数，并能够快速地筛选这些参数空间，以找到并提高性能。

这种优化的传感器具有快速的响应和恢复时间以及出色的重复性，团队通过检测微妙的脉冲、操作交互式机器人手和创建超高分辨率、智能重量秤和椅子来进行测试。

科学家们还发现，本研究提出的制造方法和设计工具包可以被利用来轻松调整压力传感器的性能以适应不同的目标应用，并为创造其他离子传感器开创机遇，其中包括使用离子液体（如超薄离子层）的传感器范围。除了实现未来更容易称量婴儿的规模之外，这些传感器还可以有其他用途。

Cheng称：“我们不仅能够检测手腕的脉搏，还能从眉毛和指尖等其他远端血管结构中检测到脉搏。此外，我们将其与控制系统结合起来，以显示这对于未来的人与机器人互动协作是可能的。此外，我们设想其他医疗用途，例如，某人失去了一条肢体，该传感器可以成为帮助他们控制机器人肢体的系统的一部分。”

程指出其他可能的用途，例如传感器可以在高压力工作环境下测量人的脉搏，例如在地震后的搜救工作或在建筑工地进行困难、危险的任务中。

研究团队利用计算机模拟和计算机辅助设计来帮助他们探索这些新颖传感器的想法，成都指出，考虑到所有可能的传感器解决方案，这是一项具有挑战性的工作。这种电子辅助将继续推动研究前进。

Cheng说：“我认为未来有可能进一步改进模型，并能够考虑更复杂的系统，然后我们肯定能够了解如何制造更好的传感器。”