多方向触觉感知对于人机交互、机器人操作以及康复监测等广泛应用至关重要。然而，现有大多数商用柔性力传感器仅能检测单向法向压力，其电信号输出通常仅对应力幅值的单一维度信息。为实现多方向感知，现有研究多依赖于复杂的结构设计，例如三维微结构和多层传感阵列，而这些结构通常需要借助洁净室条件下的多步制备工艺完成，包括光刻、刻蚀或 3D 打印等。

尽管上述方法在功能上是有效的，但往往存在成本高、在适配多维基底时可扩展性受限以及在真实应用场景中实用性不足等问题。此外，触觉传感器中普遍存在灵敏度与压力量程之间的权衡关系，即为提高结构的抗形变能力以扩大量程，往往会牺牲对微弱触觉信号的分辨能力。方向感知能力通常需要通过正交排列的多个传感单元进行复杂集成来实现，这进一步增加了器件制备的复杂度和系统集成负担。这些局限性严重制约了可穿戴、可贴合触觉系统的发展，使其难以在曲面和动态表面上同时准确识别外力的大小与方向。

近日，深圳技术大学尹晓红团队和香港中文大学刘晓华团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了最新研究成果“A conformable wrinkle-engineered skin for multidirectional force sensing on arbitrary curved surfaces”。研究者通过将 P(VDF-TrFE)/BTO 静电纺丝薄膜与气囊辅助预拉伸相结合，提出一种在平面及曲面基底上制备 2D/2.5D/3D 褶皱纳米纤维薄膜传感器的策略。该方法可实现层级褶皱结构的可控生成，其形貌可通过将预应变与最终几何形态关联的数学模型进行精确预测。所构建的褶皱结构赋予传感器卓越的综合性能，包括高灵敏性（3D：2.25 V·kPa⁻¹；2.5D：3.97 V·kPa⁻¹；2D：3.71 V·kPa⁻¹）、宽检测范围（最高达 51.2 kPa），以及在室温、高温和高湿条件下经 100,000 次循环加载后的优异稳定性，这些性能均源于压电效应与摩擦电效应的协同贡献。

除优异的法向力感知能力外，3D 与 2.5D 褶皱构型传感器在多方向载荷（5°–75°）作用下展现出清晰分离的响应曲线，使得在无需额外结构复杂化的情况下即可同时获取外力的大小与方向信息。得益于气囊辅助预拉伸策略以及纳米纤维膜本征的柔顺性，该类传感器能够与多种曲率和不规则表面实现稳定、贴合的界面集成。相关能力通过多种动态人体关节场景得到验证，包括手指弯曲、腕部运动、肘关节与膝关节活动，以及前臂等轻度曲面区域。同时，传感器还能可靠地检测吞咽、颈动脉脉搏等生理信号，并在贴附于足底时记录由步态诱发的电压响应模式。在康复训练球和乳胶手套等应用中，该传感器能够区分复杂的手部动作及多样化的人机交互状态；在机器人指尖应用中，则可捕获由法向压力和滑动诱导剪切共同产生的多方向触觉信息。所提出的褶皱传感器在健康监测、康复系统以及智能人机交互等领域展现出广阔的应用前景。

图1：2D/2.5D/3D 褶皱纳米纤维薄膜的制备工艺、多角度下的应变仿真以及应用场景。

为实现多方向力感知，通过将静电纺丝制备的 P(VDF-TrFE)/BTO 纳米纤维薄膜与预拉伸的平面及曲面基底相结合，构建了四种褶皱纳米纤维结构的压电-摩擦电复合传感器。释放预应变后，器件表面形成层级化褶皱结构，从而显著提升对应变的敏感性与方向响应能力。如图 1a 所示，2D 褶皱由平面基底释放单轴预应变获得；2.5D 单褶皱通过对曲面基底的一次性单轴释放形成，2.5D 双褶皱则源于两个正交方向预应变的依次释放；3D 褶皱采用半球形基底的双轴预应变释放制备，形成各向同性褶皱网络。随着基底曲率增大，褶皱结构逐渐致密，并在不同方向和幅值载荷下表现出更明显的各向异性形变特征。

图2：不同掺杂浓度下 P(VDF-TrFE)/BTO 压电纳米纤维性能表征及平面/全向褶皱压电-摩擦电传感器的设计。

不同 BTO 掺杂浓度下静电纺丝纳米纤维的 SEM 图像如图 2a 所示。在相同掺杂浓度条件下，纤维分布均匀、直径与形貌一致，而随掺杂浓度变化，纤维形貌和直径明显演化。5 wt%时，纤维表面仅附着少量 BTO 纳米颗粒，直径较为均一；提高至 10 wt%后，颗粒附着增多，纤维直径略有增大。进一步增加掺杂浓度，纤维出现黏连，直径显著增大，且表面可见致密的 BTO 纳米颗粒。值得注意的是，尽管 20 wt%时 BTO 团聚加剧，其纤维直径分布反而较 15 wt%更为均匀，可能源于溶液黏度超过临界值后抑制了表面张力引起的射流扰动，从而提升了纺丝稳定性。

图3：2D/2.5D/3D 褶皱的形成机理示意图。

图4：不同预应变条件下褶皱纳米纤维薄膜的 SEM 图像。

基于最优纺丝时间制备的薄膜，系统研究了不同预应变条件下的褶皱演化行为（图 4）。如图 4a 所示，2D 褶皱随几何指数（GI）增大表现出脊部压缩特征，即褶皱间距减小、波长增大，与理论模型预测一致；在 GI = 9 时出现的局部异常突起可能源于基底不均一性。2.5D 单次释放褶皱（图 4b）中，主褶皱排列相对无序，次级褶皱随 GI 增大逐渐拉长，并在临界区间内出现短暂抑制，表征其由生成向展平演化的过渡态。相比之下，2.5D 双次释放褶皱（图 4c）随 GI 提升呈现出更明显的取向性。3D 褶皱（图 4d）在低 GI 下呈无序块状分布，随着 GI 增大逐渐变得尖锐并细化，在高 GI 条件下出现折叠，其整体尺寸减小，反映了高曲率条件下压缩应力的增强。

图5：褶皱纳米纤维薄膜的机电性能表征。

不同角度下的灵敏度响应曲线呈现出明显差异。如图 5c 所示，3D 褶皱传感器具有优异的角度分辨能力，各角度响应曲线清晰分离：小角度加载时块状突起可高效形变并产生强电压输出，而在大角度下，尽管法向力分量和接触面积减小，沿表面的摩擦电效应仍能补偿灵敏度损失。2.5D 单次释放传感器（图 5d）表现出中等角度分辨能力，由于初级褶皱取向不明显，其响应曲线虽可区分但整体较为均匀。2.5D 双次释放传感器（图 5e）在 45°时达到最高灵敏度，源于第二阶段形成褶皱的最优形变，但其强取向性导致不同角度响应出现部分重叠。相比之下，2D 褶皱传感器（图 5f）对角度变化不敏感，响应曲线高度重叠，表明其形变主要受法向压力主导。

图6：人体运动与生理信号的表征。

图7：褶皱纳米纤维薄膜在医疗康复与多方向力感知中的应用。

褶皱纳米纤维薄膜传感器在医疗康复、人机交互和生理信号监测中展现出广泛应用潜力。与需反复粘贴固定的传统柔性传感器不同，该薄膜可在制备过程中与目标载体一体化集成，实现贴合式包覆与全局感知。其高灵敏度和多方向力响应能力，使其能够高分辨率捕获复杂运动和接触产生的电信号。实验结果表明，该传感器可可靠区分康复动作，支持手套式人机交互与机器人指尖多方向触觉感知，并实现对微弱人体运动和生理信号的高保真监测，显示出在可穿戴健康、智能机器人及新一代交互系统中的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171859

人物简介：

尹晓红，深圳技术大学城市交通与物流学院副教授，现任学院副院长，主要从事智慧交通系统、柔性感知与人机交互等方向的教学和科研工作。先后主持完成国家自然科学基金、广东省和浙江省科技厅/教育厅项目、深圳市科技计划项目、校企合作技术攻关项目以及教育部产学合作协同育人项目等高水平科研和教研项目20余项，在COMPOS PART B-ENG，CHEM ENG J，MATER DESIGN，INT J INTELL SYST等知名期刊上发表学术论文60余篇、授权专利20余项，主编中文教材1部，参编英文著作1部。获广东省南粤优秀教师、深圳市高层次人才等称号。

刘晓华，香港中文大学机械与自动化工程学系研究助理教授，博士生导师。致力于玻璃模压成形、微纳结构制造、柔性触觉感知等领域的研究。主持CUHK Direct Research Grant、广东省自然科学基金面上和青年项目、深圳市稳定支持面上项目等，以第一或通讯作者发表论文20余篇，担任Advanced Optical Technologies期刊的客座编辑等。