信州大学朱春红副教授《AFM》：“猫须仿生×羽毛球运动”，柔性传感新应用来袭！

猫的触须不仅是可爱的外观标志，更是自然界中极致灵敏的机械感知系统 ，其卓越性能源于根部独特的“毛囊–血窦复合体”（follicle-sinus complex, FSCs）。其中，刚性触须可高效传导微弱扰动，而包裹其根部的窦腔则起到信号放大与缓冲的作用，协同周围感觉神经，将细微的气流、接触或振动迅速转化为神经刺激。这种“触须捕获+腔体放大”的天然设计为高性能传感材料提供了仿生思路。

在仿生智能材料与体育科技交叉融合的前沿，信州大学纤维工程研究所（IFES）谢单单博士（第一作者）与朱春红副教授（通讯作者）领衔的研究团队，近期在国际高水平期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子：19.0）发表了题为《Cat‐Vibrissa‐Inspired Biomass Fiber Aerogels for Flexible and Highly Sensitive Sensors in Monitoring Human Sport》的最新研究成果（DOI: 10.1002/adfm.202512177 ）。

【 设计策略与核心优势】

在这项工作中，受猫触须启发，构建了一种类FSCs中“触须+窦腔”结构的功能单元：采用原位导电改性的生物质纤维模拟猫触须轴，用于信号采集传导；通过纤维与绿色功能性生物粘结剂海藻酸钠协同构建的多孔腔体网络模拟窦腔结构，实现局部应变放大与信号输出增强。该策略有效融合了机械稳定性与灵敏响应机制，为柔性压力传感器提供了新路径。并以该结构为灵感，设计出一种新型仿生生物质纤维基导电气凝胶材料（BFAs），展示了其在生理信号检测、书写识别、摩斯信号输入等场景的应用能力。有趣的是，研究团队还将该柔性传感器集成于人体皮肤表面、护具、拍柄手胶等不同部位，在羽毛球运动中灵敏识别击发球姿态（如正手、反手）与步法动作（如滑步、弓步），展现出智能体育与可穿戴传感器融合的巨大潜力，是集仿生结构、绿色材料与多功能响应于一体的高性能柔性电子材料。

图1. 猫须仿生结构启发的柔性生物质纤维基气凝胶传感器设计策略及多功能应用

【气凝胶的构建与结构表征】

这项工作采用“前驱体原位导电改性+冷冻协同组装”策略，构建出具有仿生结构特征的导电生物质纤维基气凝胶（BFAs）。材料设计中以天然大麻纤维为主骨架，利用苯胺单体的原位聚合实现纤维表面导电化修饰，进而增强整体电子传输通路；辅以绿色生物高分子海藻酸钠为功能粘结剂，通过冷冻诱导协同组装构建类“血窦腔体”稳定的三维多孔网络，最终实现结构支撑、信号传导与局部放大的有机结合。所得气凝胶具备轻质（密度低至0.0049 g/cm³）、通道有序等结构特征。

图2. 仿生生物质纤维基气凝胶的构制备流程及结构特征

图3. 仿生生物质纤维基气凝胶的形态和结构表征

【压缩性能与机制分析】

结构稳定性与力学响应是柔性传感器核心材料的关键指标。测试结果表明，BFAs 在80%高应变下仍能保持完整形态，其抗压能力能高达约为其自重的10.4 × 10³倍，且在500次加载-卸载循环后应力保持率高达72.4%。其优异的可压缩性与回弹性能主要归因于其类FSCs仿生结构中“刚性导电纤维+可变形多孔腔体”的耦合作用：刚性PHFs在压缩中起支撑与传导作用，SA与纤维交联形成的网络结构则提供缓冲与弹性恢复能力。同时，能量损耗比分析和循环压缩测试均显示该结构具备显著的抗疲劳性能，适应高频动态载荷环境，确保了器件长期稳定工作的基础。

图4. 仿生生物质纤维基气凝胶的压缩力学性能及传感机理

【多功能压力传感应用】

基于仿生结构的合理设计与导电网络协同构建的优势，BFAs 传感器展现出卓越的柔性压力传感性能。其表现出高灵敏度（6.01 kPa⁻¹），即使在0.05 N低压下也可产生超40%的稳定电阻变化，同时响应速度快（255 ms），信号稳定，具备优良的重复性与抗干扰能力。在实际应用中，BFAs传感器可用于多种人体信号监测，包括心跳脉搏、手指弯曲，以及书写及摩斯电码识别，均呈现出清晰稳定的电阻变化响应。更进一步地，研究团队将该传感器集成于运动护具、皮肤表面、羽毛球拍柄手胶等多个部位，在羽毛球运动中精准识别发球姿势（正手发球、反手发球）、步法变化（滑步、弓步）、以及接球动作（正手、反手）等，验证了其在智能穿戴与体育传感领域的高度实用性与可拓展性。

图5. 优化参数下仿生生物质纤维基气凝胶的压阻传感性能

图6. 仿生生物质纤维基气凝胶传感器应用于精确监测人类活动和手势识别

图7. 仿生生物质纤维基气凝胶传感器在书写和信号编码中的多功能应用

图8. 仿生生物质纤维基气凝胶传感器在羽毛球训练运动中的广泛监测应用

【总结】

该研究围绕猫触须中“刚性触须+窦腔放大”结构的仿生机制，设计出一种基于天然纤维与海藻酸钠的生物质纤维基导电气凝胶材料（BFAs），兼具超轻质、导电稳定与多孔缓冲结构。通过原位聚合与冷冻协同组装策略，材料展现出优异的灵敏度（6.01 kPa⁻¹）、快速响应（255 ms）与良好的疲劳耐受性，能够在脉搏监测、书写识别、摩斯信号输入等多场景中精准响应外界刺激。更值得一提的是，该器件可集成至人体皮肤、护具及运动器械中，在羽毛球运动等体育场景下实现击发球与步法的实时监测，展现出仿生结构、绿色材料与智能穿戴融合发展的巨大潜力， 为下一代柔性电子传感器提供了新思路。

https://doi.org/10.1002/adfm.202512177

来源：高分子科学前沿

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