近日，我校纺织纤维及制品教育部重点实验室在国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题目为“A Fabric‐Based Multimodal Flexible Tactile Sensor With Precise Sensing and Discrimination Capabilities for Pressure‐Proximity‐Magnetic Field Signals”的研究成果（论文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202420445）。该研究开发了一种织物基多模态柔性电容传感器（MFCS），通过单面集成磁性倾斜微柱的一体化织物电极的创新设计，MFCS具备对压力、接近和磁场等多重刺激的高灵敏度、快速的响应与准确区分。研究还验证了MFCS在可穿戴健康监测和触觉交互应用方面的应用潜力，为柔性多模态触觉传感器的开发提供了一种新思路。
图1多模态织物基传感器（MFCS）的制备流程、工作机制与应用场景概念图
触觉感知是人类获取物体信息、理解现实世界和形成空间概念的重要能力。柔性触觉传感器通过模拟人类皮肤，特别是手部的力触觉，将压力、弯曲、拉伸等外部刺激转化为电或数字信号，实现对环境的感知和对目标物体的操纵。基于柔性触觉传感器的触觉反馈系统是人机交互领域中最自然的用户界面之一，广泛应用于健康监测、智能医疗、智能假肢、仿生机器人、增强/虚拟现实和元宇宙等领域。随着对可穿戴性、精确控制和多功能性的需求增加，迫切需要柔性触觉传感器集成接近-压力传感能力。这种集成对于弥合触觉和非接触操作模式之间的差距至关重要，克服了单一功能传感器的局限性。目前，集成接近-压力传感的柔性触觉传感器在高效多信号采集、准确识别、成本控制和可扩展性方面面临挑战。
针对上述难题，研究团队开发了一种织物基多模态柔性电容传感器（MFCS），该传感器将一体化织物电极设计和磁性倾斜微柱（MTM）阵列微结构相结合。这种创新设计显著增强了传感器的边缘电场效应、磁响应能力和介电层的形变能力，实现了对压力、接近和磁场变化的精准感知。结果显示，MFCS展现出高灵敏度和快速响应特性，能在0-2 kPa压力下达到0.146 kPa-1的灵敏度，响应/恢复时间约24/36 ms。此外，MFCS能检测20 cm范围内的人手接近，0-2 cm范围内灵敏度为-0.039 cm-1，磁场检测限为10 mT，60-230 mT范围内灵敏度为-1.72 T-1。该传感器可同时工作在电容测试和谐振频率测试模式，有效区分不同信号，为智能可穿戴设备与交互系统提供新视角。总之，MFCS凭借其多模态检测能力、成本效益高、制备简便及全织物基设计的优势，极具大规模生产潜力，有望在人机交互、人工智能以及健康监测等领域实现广泛应用。
图2 MFCS在电容模式和谐振频率模式下对接近、压力和磁场信号多重信号的检测与识别的机制示意图
图3 使用 MFCS实现无缝接触/非接触式人机交互的演示
论文的第一作者是武汉纺织大学纺织纤维及制品教育部重点实验室研究生宋梦雅，武汉纺织大学纺织纤维及制品教育部重点实验室王栋教授、刘琼珍副教授为论文的共同通讯作者。该论文是团队在纤维/织物基可穿戴能源电子领域工作的延续与拓展，前期团队已在该领域发表了一系列的重要成果（Adv. Mater., 2024, 36(25): 2400919; Adv. Funct. Mater., 2024, 34(36): 2405158; Chem. Eng. J., 2023, 478: 147402; Nano-Micro Lett., 2024, 16:236）。该工作同时得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、湖北省自然科学基金项目等项目的资助。
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