一种高性能可生物降解压力传感器已被开发出来，作为可穿戴AI健康护理机器人和用户友好型机器人系统的关键技术。
首尔国立大学工程学院宣布，材料科学与工程系Tae-Woo Lee教授领导的研究团队开发出一种受天然蜘蛛网多尺度结构启发的环保型人工蜘蛛网压力传感器。该传感器同时实现了高灵敏度、快速响应时间和优异的机械稳定性。
该传感器能够实时检测人体脉搏、呼吸、发声和手指运动，可与机器人手控制系统集成，预计将在帕金森病康复辅助设备、环保可穿戴设备和用户友好型机器人领域得到广泛应用。
该研究于7月4日发表在世界知名国际学术期刊《Nature Communications》上。
压力传感与可持续发展
此前，Lee的研究团队已在顶级科学期刊上发表了一系列研究，包括今年1月、2月和4月在《Nature》上发表的论文，以及1月在《Science》上发表的论文。该团队在这两个被广泛视为科学出版界两大支柱的旗舰期刊上发表了四篇论文，展示了卓越的研究实力。此外，该团队还在6月在《Nature Materials》上发表了另一项研究，进一步证明了其在可穿戴显示材料与设备开发以及核心器件技术方面的世界级竞争力。
可穿戴电子产品正从智能手表等简单的健康监测设备发展为人机界面（HMI）技术，这些技术能够实时检测用户的动作和生物信号，并将其与机器人、辅助设备和医疗系统连接起来。特别是柔性压力传感器，它们可以附着在皮肤或关节上，直接测量来自人体的各种与压力相关的信号，如脉搏、呼吸、声音和关节运动，作为可穿戴健康护理AI机器人、康复机器人和用户友好型机器人系统的核心组件而备受关注。
然而，传统柔性压力传感器在同时实现高灵敏度、快速响应时间和优异的机械稳定性方面面临局限性。这是因为设计用于精确检测甚至细微压力的复杂结构容易因反复受压和弯曲而损坏，而更坚固的结构往往对小的压力变化敏感度较低。
此外，大多数由不可降解材料制成的可穿戴电子设备在使用后会产生废弃物。这增加了开发基于可生物降解材料的可持续柔性压力传感器的需求。
借鉴蜘蛛网的设计
为解决这些挑战，Lee的研究团队开发了一种受天然蜘蛛网多层纤维结构、网状结构和核壳结构启发的多尺度人工蜘蛛网压力传感器。
蜘蛛网能够快速检测细微振动，同时将外部冲击分布在整个结构上以保持稳定性。通过将这一原理应用于传感器设计，研究团队提出了一种三维纤维网络，能够在重复使用的情况下有效传递压力并保持耐用性。
首先，研究团队通过将可生物降解聚合物聚乳酸（PLA）电纺到铜网上，制造出类似蜘蛛网的纤维框架。然后，纤维表面涂覆导电碳墨和银纳米线，在纤维表面形成导电网络。在这种结构中，当施加压力时，导电颗粒和纳米线之间的接触面积增加，纳米尺度的电子传输路径迅速形成。因此，即使是很小的压力变化也被放大并转换为电信号。
通过同时优化导电路径变化和压力传递，人工蜘蛛网压力传感器实现了高灵敏度和优异的耐用性。换句话说，研究团队通过受自然启发的结构设计，解决了柔性压力传感器中灵敏度和耐用性之间的传统权衡问题。
从生物信号到机器人控制
当传感器附着在人体手腕和颈部时，它能够实时测量各种生物信号，包括脉搏、呼吸、发声和关节运动。测得的压力信号随后通过人工神经网络进行分析，能够高精度地精确分类个体生理状态。这表明Lee团队开发的传感器可以超越简单的生物信号监测，作为能够解读用户生理状态的智能可穿戴系统应用。
在另一项实验中，附着在手指上的传感器与机器人手控制系统集成。传感器检测用户的弯曲角度和压力强度，并将其转换为机器人手的控制信号。结果，机器人手根据用户的动作调整其抓握力和角度，并成功执行了复杂的手指手势。
绿色可穿戴设备平台
Lee研究团队开发的人工蜘蛛网压力传感器预计将应用于广泛的领域，包括为难以控制精细运动的帕金森病患者提供康复辅助、智能假肢手、可穿戴AI健康护理机器人、用户友好型机器人、软体机器人和远程医疗系统。此外，凭借通过蓝牙实时无线传输和可视化生物信号的能力，以及可生物降解材料设计的优势，该传感器可扩展为具有增强可持续性的下一代智能医疗平台。
这项研究成果也有望加强韩国在可穿戴电子技术领域的整体国家竞争力。
Tae-Woo Lee教授表示："这项研究通过模仿天然蜘蛛网的结构原理，解决了柔性压力传感器中高灵敏度、快速响应和重复机械稳定性之间长期存在的权衡问题，取得了成就。特别是，通过同时实现基于可生物降解材料的高性能压力传感和环境友好性，这项工作为可持续可穿戴电子产品指明了新方向。"
他补充道："我们计划将这项技术进一步开发为下一代人机界面的核心平台技术，将用户友好性与可持续性结合起来。"
出版详情：Jing Dai等人，《用于全面压力传感和人机交互的多尺度人工蜘蛛网》，《Nature Communications》(2026)。DOI: 10.1038/s41467-026-74200-y
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