通过3D超界面实现百亿级超高灵敏度（0–10%应变范围）的橡胶基传感器

倾听微小的拉伸

从监测心跳到预警鼓胀的电池，世界愈发依赖于能够感知运动与应变的柔软类皮肤传感器。但要制造既极其灵敏又能在大幅拉伸下依然可靠工作的弹性电子“皮肤”，一直是一个棘手的工程难题。这项研究报道了一种新的橡胶基传感器，它打破了这一僵局，在保持大拉伸可靠性的同时实现了创纪录的灵敏度，为更安全的可穿戴设备和更智能的电池监测打开了可能性。

为什么制造可拉伸传感器如此困难

大多数柔性应变传感器由软性塑料掺入导电颗粒或叠层成薄膜制成。拉伸时，内部的导电网络会发生变化，这一变化通过电阻的改变表现出来。问题在于，高灵敏度、宽应变范围和简单、可预测的行为通常难以兼得。高度灵敏的设计往往依赖于刚性导电涂层中的微小裂纹：即使是微小拉伸也会使裂纹面分离，导致电阻骤增。但一旦这些裂纹完全开启，传感器就像断线一样——信号消失，这在不能“失明”的健康监测或机器人系统中是不可接受的。

在层间构建三维抓合界面

为打破这一权衡，研究人员设计了他们称之为橡胶基底与导电涂层之间的三维超界面。与平滑、平整的边界不同，他们将橡胶表面雕刻出微纳米级的凸凹结构，然后用含有两种聚合物和导电填料的水性膜进行涂覆。这样的纹理化表面让涂层在物理上钩入橡胶，同时两侧的化学基团通过大量氢键形成连接——个别较弱但总体上既强且有弹性的抓合。结果是形成了厚的分层传感器，易碎、易裂的顶层与更韧、更有弹性的下层以及柔软橡胶牢牢结合在一起。

将裂纹变为有用信号

关键思路是允许顶层导电膜以可控方式出现裂纹，而隐藏的层则默默地把结构保持在一起。通过调节涂层中两种聚合物的配比，团队控制了裂纹形成的难易和排列方式。较硬的薄膜形成网状裂纹，而配比更均衡的薄膜则产生整齐的平行裂缝。在小幅拉伸范围——约到10%以内——这些微裂纹会迅速加宽并加深，导致电阻发生巨大的变化。在此范围内，传感器达到了约1.1 × 10^8的规因数（应变灵敏度的标准度量），比许多先进柔性传感器高出数百到数千倍，同时响应几乎呈线性且可预测。再往后，随着器件被进一步拉伸，裂纹图案的演化大体完成，下面更厚、更可拉伸的导电层开始接管，保持电流即便在超过100%应变时仍能流通。

内部结构如何保持工作

详细成像显示，随着应变增加，微裂纹从浅表线状演化为更深的缝隙，但它们始终止步于超界面，而不会撕裂穿透整个厚度。内部，易脆层中的银纳米线对微小位移提供了巨大的响应，而下层的单壁碳纳米管则像安全网一样，即使上方裂纹大开也能形成稳定的导电通路。对极微小应变（不足百分之几）和数千次循环拉伸下的电学测试表明，信号保持强劲且稳定。该传感器对温度和湿度变化也有良好抵抗性能，在弯曲、折叠或扭曲时仍能持续工作，这反映出橡胶基底与钩合界面的韧性。

从人体运动到更安全的电池

由于它既能记录微小变形又能应对大幅形变，这种新传感器在人体演示中表现良好。贴在喉部时，它在吞咽时捕捉到明显的信号尖峰；贴在手腕上，则追踪到在运动中变得更强更快的心跳。在手指、肘部和膝盖等关节处固定时，它在关节弯曲时报告出大幅且可重复的信号变化。该传感器的超高灵敏度在不那么明显的场景中也很有价值：固定在硅负极电池组上时，它能检测出仅几百分点的微小厚度增加。仅2%的膨胀就导致电阻上升22倍，能在温度升高显现之前清楚地区分正常工作与危险性膨胀。

这意味着什么

通过重塑并强化易裂涂层与柔软橡胶基底之间的界面，作者表明不必在极端灵敏度和宽广、可靠的拉伸之间做出选择。他们的三维超界面将裂纹从一种失效模式转化为强有力的感测机制，同时隐藏的导电层在剧烈变形下保持信号通路。对非专业读者而言，结论是这种橡胶基传感器既能感知极其微小的运动，又能承受大幅拉伸，使其成为未来可穿戴健康监测、软体机器人以及用于电池等设备的早期预警系统的有前景的构建模块，因为这些设备中细微的形变往往预示着潜在的危险。

引用: Wang, X., Huang, Y., Wang, H. et al. A rubber-based sensor with over 100 million-level ultra-sensitivity (0–10% strain range) via 3D super-interface. Nat Commun 17, 3547 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70434-y

关键词: 柔性应变传感器, 可穿戴电子设备, 微裂纹界面, 电池安全, 橡胶基传感器