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随着物联网、大数据和人工智能的快速发展，可穿戴电子设备已成为实现人机无缝交互的关键技术。软机械传感器作为这些系统的核心，能够将压力或应变等机械刺激转换为电信号，广泛应用于电子皮肤、健康监测和人机界面等领域。然而，传统传感器在灵敏度、检测范围、响应时间和机械耐久性之间往往存在权衡，且制造过程复杂，制约了其性能提升和应用扩展。在这一背景下，胶体设计被视为突破这些限制的核心途径，通过调控微观结构来优化传感器性能。

胶体系统在软机械传感器工程中展现出变革性潜力。凭借其独特的物理化学性质、可调控的粒子间相互作用以及多样化的组装策略，胶体能够实现对传感器机械与传感行为的精确控制，满足高灵敏度、宽动态范围和快速响应的需求。复旦大学武利民教授、彭勃青年研究员从胶体设计的基本原理出发，重点探讨了表面工程、胶体组装和结构层次在优化传感器性能中的关键作用，并展望了通过胶体形态和组装技术的进步推动下一代高性能机械传感器发展的前景。相关论文以“Advancing Soft Mechanosensors by Colloidal Design”为题，发表在AM上。

图1展示了机械传感器中的胶体元素，包括胶体粒子、组装结构以及自组装过程，揭示了从翱顿、1顿到2顿材料如何通过微纳米加工构建功能结构。这些胶体衍生的微纳米结构增强了传感器的可变形性，增大了应变下的接触面积，并引入了额外的导电通道，从而共同提升了灵敏度、检测极限和耐久性等关键性能指标。

图1： 机械传感器中的胶体元素。  

图2概括了采用胶体设计的软机械传感器及其应用范式，涵盖了可穿戴电子、人机接口和临床治疗等领域。图中突出了通过外部场、结构控制和自组装等策略，利用胶体粒子实现高灵敏度和快速响应的传感机制，包括压电、电阻、电容和摩擦电等多种类型。

图2： 采用胶体设计的软机械传感器及其应用范式概览。

图3详细描绘了软机械传感器的结构和工作原理，包括福勒-诺德海姆隧穿效应、渗流机制、裂纹扩展和接触电阻等机制。这些机制受表面特性影响，例如提高收集效率、调整表面摩擦力和降低等效刚度，从而增强弱信号响应、促进变形恢复并提高信噪比。

图3： 软机械传感器的详细结构和工作原理。 

图4通过示意图阐释了四种软机械传感器的工作机制：压电传感器依靠应力产生电荷；电阻传感器通过变形改变电阻；电容传感器基于电极间距和介电常数的变化；摩擦电传感器则利用接触分离配置产生电荷。每种机制各有优劣，例如压电传感器响应快但无法检测静态力，电阻传感器成本低但易受温湿度影响。

图4： 软机械传感器传感机制示意图。A) 压电传感器。B) 电阻传感器。C) 电容传感器。D) 摩擦电传感器。 

图5揭示了胶体粒子间的相互作用，包括电学性质（表面电荷和导电性）、力学性质（可变形性和粘弹性）以及表面性质（表面粗糙度和电荷）。这些性质直接影响传感器的性能，例如高导电性的金胶体可用于检测微小压力波动，而可变形胶体则能通过分层结构顺序激活来放大灵敏度。

图5： 胶体粒子间的相互作用。A) 电学性质（i: 表面电荷；ii: 导电性）。B) 力学性质（i: 可变形性；ii: 粘弹性）。C) 表面性质（i: 表面粗糙度；ii: 表面电荷）。 

图6进一步细化了胶体粒子间的相互作用类型：范德华力在纳米尺度促进粒子聚集并增强导电性；氢键提供方向性相互作用，支持快速恢复；静电相互作用通过双电层调控粒子分散和有序结构形成；疏水作用则通过纳米气泡影响毛细力，增强界面粘附。

图6： 胶体粒子间的相互作用。A) 范德华力。B) 氢键（i: 自组装过程；ii: 氢键的自组装机制）。C) 静电相互作用。D) 疏水相互作用。 

图7系统介绍了胶体粒子的自组装策略及所形成的微观结构，包括尝补苍驳尘耻颈谤-叠濒辞诲驳别迟迟组装、表面活性剂辅助组装、电场驱动组装、磁场驱动组装、模板引导组装、乳液基组装以及芯片上自组装。这些方法能够构建微金字塔、微穹顶、微柱和微针等精细结构，作为高性能传感器的功能构建块，显着提升传感特性并赋予优异的柔软性和灵活性。

图7： 胶体粒子的自组装策略及微观结构。A) 胶体粒子的LB组装（i）及微观结构（ii）。B) 胶体粒子的表面活性剂辅助组装（i）及微观结构（ii）。C) 胶体粒子的电场驱动组装（i）及微观结构（ii）。D) 胶体粒子的磁场驱动组装（i）及微观结构（ii）。E) 胶体粒子的模板引导组装（i）及微观结构（ii）。F) 胶体粒子的乳液基组装（i）及微观结构（ii）。G) 胶体粒子的芯片上自组装及微观结构。 

图8展示了自组装形成的胶体微观结构，包括微观结构阵列、图案排列、多孔架构、3顿多孔结构和分层设计。这些结构通过调控特征高度、曲率、间距和孔隙率等参数，优化应力分布和接触面积，从而同步提升灵敏度、响应速度和检测范围。例如，梯度孔隙结构可实现低压力下的高灵敏度和高压力下的稳定性。

图8： 胶体粒子的自组装微观结构。A) 微观结构阵列。B) 图案排列。C) 多孔架构。D) 3D多孔结构（i: 微观结构；ii和iii: 3D多孔结构增强机械传感器的传感性能）。E) 多孔结构的分层设计（i: 微观结构；ii、iii和iv: 机械传感器的传感性能）。 

图9聚焦于软机械传感器的表面工程与功能化策略，包括化学功能化（如引入极性官能团增强电荷生成）、物理结构化（如引入微针阵列以集中应力）以及化学与物理相结合的改性方法。这些手段通过调控表面能、导电性和微观几何形状，协同提升传感器的灵敏度、检测极限和循环稳定性。

图9： 软机械传感器的表面工程与功能化。A) 机械传感器各向异性结构的化学功能化。B) 机械传感器的化学功能化/微观结构。C) 机械传感器的物理改性。D) 机械传感器的化学与物理改性。 

图10展示了各向异性和分层结构在软机械传感器中的应用，包括微金字塔、微穹顶、微柱和微针等结构。这些几何形状通过局部应力集中和变形放大效应增强信号输出，而分层结构（如微柱上修饰纳米针）则通过多级变形机制实现宽压力范围内的灵敏检测与机械鲁棒性。

图10： 软机械传感器的各向异性与分层结构。A) 机械传感器各向异性结构的分类。B) 机械传感器的微金字塔结构。C) 机械传感器的微穹顶结构。D) 机械传感器的微柱结构。E) 机械传感器的3D“柄-梗-乳突沟”结构。F) 机械传感器的分层微观结构（i）及传感性能（ii）。 

图11重点阐释了如何通过微结构设计实现高灵敏度。微金字塔结构通过尖端应力集中显着提升信号输出；微针和微柱等超高纵横比结构在低压下即可诱发剧烈局部变形；通过优化结构密度、高度和孔隙率，可进一步增大有效接触面积，增强电荷传输，从而实现超高灵敏度和快速响应。

图11： 软机械传感器的高灵敏度。A) 机械传感器的灵敏度。B) 具有不同微观结构和不同长度的机械传感器的灵敏度。C) 机械传感器的灵敏度。D) 机械传感器的灵敏度。 

图12探讨了拓宽传感器检测范围的策略。通过引入微穹顶、多孔层和微球等结构，可扩大有效接触面积并均匀分布应力，使传感器能够同时检测细微和强烈压力。例如，3顿多孔结构和可变高度的分层设计通过顺序变形机制，实现了从低压到高压的宽范围线性响应。

图12： 软机械传感器的宽检测范围：A) 机械传感器的宽范围。B) 机械传感器的宽范围。C) 机械传感器的宽范围与灵敏度。D) 机械传感器的宽范围。E) 机械传感器的宽范围。 

图13关注于实现快速响应的设计途径。构建分层微纳米结构（如微针与多孔元素结合）可在介电层中形成空隙作为能量耗散区，实现快速变形与恢复；超薄、透气传感器通过减少结构厚度和增强界面相互作用，进一步缩短响应时间，满足动态监测和可穿戴应用的需求。

图13： 软机械传感器的快速响应。A) 机械传感器的响应时间。B) 机械传感器的响应时间。C) 机械传感器的响应时间。D) 机械传感器的响应时间。E) 机械传感器的响应时间。

尽管胶体基软机械传感器展现出巨大潜力，但仍面临结构不均匀、机械不稳定性、界面失效和制造复杂等挑战。未来，通过整合多功能胶体材料、开发生物相容性界面、利用础滨驱动设计以及引入可降解组件，有望实现超灵敏、高精度、自供电且环境友好的智能传感平台。这些进步将推动软机械传感器在可穿戴医疗、机器人和人机交互等领域的创新应用。