當(dāng)人們驚嘆于貓咪在黑暗中精準(zhǔn)避障、輕觸獵物便知細節(jié)的 “超能力” 時，很少有人意識到，這份敏捷背后的關(guān)鍵 “裝備”—— 貓胡須（觸須），正為可穿戴電子技術(shù)帶來革命性啟發(fā)。近日，日本信州大學(xué)朱春紅副教授團隊以貓胡須的生物結(jié)構(gòu)為藍本，研發(fā)出一種基于生物基纖維 / 海藻酸鈉氣凝膠（BFAs）的柔性壓力傳感器，其兼具高靈敏度、強耐用性與環(huán)保屬性，為智能穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測、運動分析等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新路徑。

隨著健康管理、運動科學(xué)和人機交互需求的激增，柔性壓力傳感器已成為可穿戴電子領(lǐng)域的核心組件。其中，壓阻式傳感器因結(jié)構(gòu)簡單、信號易讀取、易集成等優(yōu)勢備受青睞，但傳統(tǒng)設(shè)計始終面臨三大瓶頸：對形變的適應(yīng)性差、長期使用靈敏度衰減、生產(chǎn)過程能耗高且難規(guī)�；�。朱春紅團隊的突破，始于對貓科動物感官系統(tǒng)的深入觀察。“貓咪的敏捷性和感知力，很大程度上依賴于其高度發(fā)達的觸須（vibrissae）系統(tǒng)�！� 朱春紅副教授解釋道。貓的觸須并非普通毛發(fā)，而是嵌入特殊的 “毛囊竇復(fù)合體（FSCs）” 中 —— 這種結(jié)構(gòu)能像 “信號放大器” 一樣，將微弱的機械擾動（如氣流變化、物體輕觸）轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號，讓貓咪即使在完全黑暗中也能感知環(huán)境細節(jié)。這一發(fā)現(xiàn)為解決傳感器痛點提供了新思路：若能模仿觸須的 “信號捕捉” 能力與 FSCs 的 “信號放大” 功能，或許能突破現(xiàn)有技術(shù)局限。團隊最終決定以環(huán)保的生物基材料為核心，構(gòu)建兼具靈敏度與穩(wěn)定性的新型氣凝膠結(jié)構(gòu)。

為實現(xiàn)對貓胡須系統(tǒng)的精準(zhǔn)仿生，團隊在材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行了多重優(yōu)化。在核心材料方面，團隊選用大麻微纖維（HFs）作為基底，這種天然纖維不僅強度高、韌性好，還具備完全可降解的環(huán)保屬性，完美契合可持續(xù)發(fā)展需求。為提升其導(dǎo)電性與耐用性，研究人員通過 “原位聚合” 技術(shù)，在大麻微纖維表面均勻涂覆一層聚苯胺（PANI），形成 “聚苯胺包覆大麻微纖維（PHFs）”，這一步驟不僅讓纖維具備了導(dǎo)電能力，還強化了材料間的界面附著力，為后續(xù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性打下基礎(chǔ)。隨后，PHFs 與海藻酸鈉（一種天然多糖，常作為綠色粘合劑）混合，通過 “冷凍協(xié)同組裝” 工藝形成氣凝膠，這種工藝無需高溫碳化（傳統(tǒng)碳氣凝膠的高能耗步驟），僅通過低溫冷凍即可構(gòu)建出多孔、超輕的三維結(jié)構(gòu) —— 最終形成的 BFA 氣凝膠密度極低，每克材料的體積可輕松填充多個立方厘米。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，BFA 氣凝膠精準(zhǔn)復(fù)刻了貓胡須系統(tǒng)的功能分工：PHFs 纖維網(wǎng)絡(luò)模仿貓的觸須，負責(zé)捕捉外部微弱機械信號（如手指按壓、脈搏跳動），并將其傳遞至整個結(jié)構(gòu)；多孔腔室結(jié)構(gòu)則模仿 FSCs 的竇腔，當(dāng)外部壓力作用時，腔室會發(fā)生輕微形變，像 “緩沖墊” 一樣吸收壓力沖擊，同時將信號放大 —— 這種放大效應(yīng)能讓傳感器對極小壓力（如幾帕斯卡）也產(chǎn)生明顯響應(yīng)。當(dāng)壓力消失時，多孔結(jié)構(gòu)的彈性會讓氣凝膠迅速恢復(fù)原狀，確保長期使用后性能不衰減。

經(jīng)過實驗測試，BFA 基傳感器的性能遠超傳統(tǒng)產(chǎn)品，多項關(guān)鍵指標(biāo)達到行業(yè)領(lǐng)先水平：其靈敏度達到 6.01 kPa;，能精準(zhǔn)捕捉到頸動脈脈搏的微小波動（脈搏壓力通常僅幾到幾十帕斯卡），甚至能識別手指輕劃時的壓力差異；響應(yīng)時間僅 255 毫秒，比人類眨眼速度（約 300 毫秒）更快，可實時追蹤動態(tài)變化（如運動中的肢體動作）；最令人驚嘆的是其抗壓恢復(fù)能力 —— 僅 0.048 克重的 BFA 氣凝膠，在承受 500 克重量（相當(dāng)于自身重量的 10400 倍）壓迫 10 秒后，幾乎能完全恢復(fù)原狀，這一抗壓強度是已報道納米纖維氣凝膠的近兩倍，徹底解決了傳統(tǒng)傳感器 “易變形、難恢復(fù)” 的問題。這些性能優(yōu)勢讓傳感器的應(yīng)用場景得以全面拓展：在生理健康監(jiān)測領(lǐng)域，它貼附于頸部時可清晰捕捉頸動脈脈搏信號，幫助分析心率、心律等指標(biāo)，為心血管健康監(jiān)測提供無創(chuàng)解決方案；在人機交互方面，用于手寫板時能通過筆尖壓力差異識別書寫軌跡，甚至支持摩爾斯電碼傳輸（通過按壓力度和時長區(qū)分 “點” 與 “劃”），為特殊場景（如嘈雜環(huán)境、殘障人士輔助）的信息交流提供新方式；在運動科學(xué)領(lǐng)域，將其集成于羽毛球拍握柄或運動員腕帶，可實時捕捉不同發(fā)球技術(shù)（如正手發(fā)球、反手發(fā)球）時的壓力變化，為教練分析動作規(guī)范性、優(yōu)化運動員發(fā)力技巧提供數(shù)據(jù)支持。

“我們的設(shè)計不僅解決了性能問題，更避開了傳統(tǒng)傳感器生產(chǎn)中的高能耗、高污染環(huán)節(jié)。” 朱春紅副教授強調(diào)。相比依賴石墨烯、碳納米管等材料的傳統(tǒng)傳感器，BFA 基傳感器以天然生物質(zhì)為原料，生產(chǎn)過程無需高溫碳化，且材料可降解，完美契合 “綠色電子” 的發(fā)展趨勢。同時，“冷凍協(xié)同組裝” 工藝易于規(guī)�；�生產(chǎn)，為其商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，該研究成果已發(fā)表于國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202512177）。業(yè)內(nèi)專家認為，這種 “從自然中獲取靈感、以環(huán)保材料實現(xiàn)突破” 的思路，不僅推動了可穿戴壓力傳感器的技術(shù)升級，更為整個柔性電子領(lǐng)域提供了 “性能與可持續(xù)性兼顧” 的研發(fā)范式 —— 未來，或許還會有更多來自生物界的 “小智慧”，催生出改變生活的 “大技術(shù)”。