對人體自身動作的研究，對于假肢研究、人機(jī)交互等領(lǐng)域有重大意義。但在人體的動作研究過程中，力學(xué)傳感器則是研究的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段的力學(xué)傳感器，在測量手的抓握行為時，會使得手指觸覺上的偏差，因此導(dǎo)致手指抓握力測量上產(chǎn)生較大的偏差。，需要將傳感器放在指尖，這些傳感器會干擾手指、影響手指施加的力，導(dǎo)致無法精確再現(xiàn)自然觸覺。目前，在不損失任何觸摸感覺的情況下監(jiān)測手指觸摸過程是最大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的傳感器，乃至超薄傳感器都會不同程度的降低觸覺，使得測量結(jié)果產(chǎn)生偏差，不能真實(shí)的反應(yīng)手指的觸覺。柔性電子大牛，日本東京大學(xué)Takao Someya團(tuán)隊基于電紡納米纖維，開發(fā)出了超級靈敏的電容式納米網(wǎng)絡(luò)壓力傳感器，可以準(zhǔn)確的監(jiān)測手指壓力，并且不會對人產(chǎn)生感官影響。相關(guān)論文以“Nanomeshpressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference”為題，于11月20日發(fā)表在《Science》上。

納米網(wǎng)絡(luò)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

  為了保證傳感器不會影響手指上的觸覺，因此傳感器輕薄柔軟的特性是成敗的關(guān)鍵。Takao Someya團(tuán)隊采用了納米級別的靜電紡絲技術(shù)，采用了聚氨酯等柔性材料，保證了制作出的傳感器的輕薄特性和柔軟程度。聚對二甲苯涂層可以提高柔性力學(xué)傳感器的靈敏度（壓力低于1kPa時靈敏度為0.141kPa-1，高于10kPa時靈敏度為0.01kPa-1），而金納米網(wǎng)絡(luò)則保證了電信號的傳輸。該力學(xué)傳感器為典型的電容器結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)分為四層，分別為嵌入納米網(wǎng)絡(luò)的聚氨酯鈍化層、頂部金納米網(wǎng)絡(luò)電極層、涂有聚對二甲苯涂層的聚氨酯納米網(wǎng)絡(luò)中間層，底部金納米網(wǎng)絡(luò)電極層。該傳感器主要通過形狀的改變使得傳感器整體電容的變化，以此反應(yīng)力的大小。

優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

  在傳感器的制備過程中，納米金網(wǎng)的形成利用了PVA納米纖維作為犧牲材料，因此納米金網(wǎng)與中間層有優(yōu)良的結(jié)合力。以19.6 kPa的壓力進(jìn)行1000次循環(huán)測試后，其電容性能下降不到0.15％（電容變化在第一個周期為0.658，在第1000個周期為0.659）。除此之外，頂部Au納米網(wǎng)絡(luò)電極在重復(fù)循環(huán)施壓過程中，導(dǎo)電性幾乎沒有變化。這些性能參數(shù)足以證明該傳感器優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證了在應(yīng)用過程中的可重復(fù)性和性能穩(wěn)定性。

對手指觸覺無影響

  本文定量研究了傳感器對人的觸覺的影響，通對比在手指上貼上傳感器與裸露的手指的抓握力，貼上傳感器與裸露手指相差無幾。而在貼了2微米厚的力學(xué)傳感器后，手指的抓握力還增加了14％。

總結(jié)

  Takao Someya團(tuán)隊通過納米靜電紡絲技術(shù)，制作出了一種超薄輕柔的力學(xué)傳感器。通過一系列研究，驗(yàn)證了其對手指觸覺的影響微乎其微，這一性能使得該傳感器在人體動作研究中有十分廣闊的應(yīng)用前景，對人體仿生學(xué)領(lǐng)域具有十分重大的意義。

  原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966

  https://science.sciencemag.org/content/370/6519/910