深海探测亟需能在高压环境下同步获取物体多维度触觉信息的传感器。然而，现有水下传感器面临严峻挑战：依赖外部供电、需严格密封防水、抗高压能力弱，且多数仅能感知单一参数（如压力或温度）。传统材料识别方法（如热导原理）响应慢、效率低，而基于摩擦电或阵列式压阻的传感器在深海水压环境中易因结构失效或密封泄漏导致性能下降。开发一种无需密封、自供电且能同步识别物体导电性、硬度、压力及位置的一体化传感器，成为深海探测的关键需求。
大连海事大学宋永欣教授团队和国科温州研究院Xu Ruisong合作在《先进功能材料》发表研究成果，提出一种基于多层级多孔SWNTs-TPU/C-WPU复合薄膜的水下自供电触觉传感器。该传感器通过单壁碳纳米管掺杂热塑性聚氨酯（SWNTs-TPU）薄膜区分物体导电性，利用含羧基多孔水性聚氨酯（C-WPU）薄膜受压产生离子电流，同步检测压力、位置及硬度。其灵敏度高达1.2 kPa⁻¹，响应/恢复时间仅150/530 ms，压力检测范围45–625 kPa，在模拟100米水深（1 MPa静水压）下信号衰减仅10.54%。首次在遥控水下机器人（ROV）机械手上实现水下物体材质与硬度的同步鉴别。
传感机制与材料创新
该传感器通过三层协同机制实现多功能感知（图1）。材质导电性识别依赖SWNTs-TPU薄膜：金属物体（如铝）因功函数差异向薄膜转移电子，产生显著电流（铝接触信号达-167.1 nA），而绝缘体（如木材）几乎无信号。压力与位置感知由多孔C-WPU薄膜实现：受压后孔隙内氯离子水合物（Cl⁻(H₂O)ₙ）比钠离子水合物（Na⁺(H₂O)ₙ）迁移更快，形成离子浓度梯度驱动电流，压力越大、按压面积越广则信号越强（按压面积从20增至40 mm²时电流提升7.23倍），且电流方向可定位按压点。硬度区分基于形变动力学：硬物（如PMMA硬度82A）使薄膜快速形变，电流幅值高（82.3 nA）、响应快（0.75 s）；软物（如硅胶硬度20A）吸收压力能量，电流幅值低（24.9 nA）、响应慢（1.77 s）。
图1. 触觉传感系统及其用于材料导电性区分、硬度区分、接触压力和位置感知的工作原理。
材料设计与性能提升
C-WPU薄膜的亲水多孔结构（接触角67.3°，孔径200 nm–20 μm）为离子迁移提供通道。关键突破在于引入羧基（-COOH），其通过静电作用束缚Na⁺(H₂O)ₙ，显著扩大Cl⁻/Na⁺迁移率差异，使电流信号较未改性薄膜提升338%，灵敏度提高69%。SWNTs-TPU层中碳管含量优化至21 wt.%时导电性提升1600倍，但过量会牺牲柔韧性（断裂伸长率从1400%骤降至164.81%）。
图2. 多孔 SWNTs-TPU/C-WPU 复合薄膜的制备与表征。
图3. SWNTs-TPU/C-WPU 材料性能对传感器性能的依赖性。
抗压封装与环境适应性
全密封设计（仅暴露电极）引导离子定向迁移至电极，电流提升39.86%，灵敏度达1.2 kPa⁻¹。在模拟深海1 MPa静水压（100米水深）下，压力信号仅衰减10.54%，材质识别信号（如铝接触）衰减不足2.45%，凸显材料机械稳定性。即使在含油污沉积物或CuCl₂的海水中，传感器仍可稳定输出信号（CuCl₂环境电流增10.8%，油污环境电流降17.07%）。
图 4. 薄膜封装对信号幅值的影响。
多场景验证与机械手应用
实际测试中，传感器精准区分金属（铝/铜/铁）与非金属（木材/海绵），并通过信号幅值与响应时间鉴别物体硬度梯度。在ROV机械手上，成功识别木材（最硬，信号1.7 V）、硅胶（中等）、PDMS（最软，信号0.67 V），并区分铜（0.57 V）、铝（1.7 V）、铁（1.32 V）的导电性差异。
图5. 材料导电性对信号幅值的依赖性。
图6. SWNTs-TPU/C-WPU 复合薄膜传感器电流幅值对硬度、按压面积和循环测试的依赖性。
图7. SWCNTs-TPU/C-WPU 复合薄膜传感器性能对高静水压和恶劣环境的依赖性。
图8. 多孔 SWNTs-TPU/C-WPU 复合薄膜传感器在水下物体硬度区分和材料识别中的应用。
应用前景
该传感器突破传统水下传感的密封与供能限制，首次通过单一接触实现导电性、硬度、压力及位置的四维信息同步获取。未来通过减薄SWNTs-TPU层可进一步提升低压检测灵敏度。其自供电、抗高压及免密封特性，为深海勘探、水下机器人精细操作及海洋科考提供了革新工具，推动深海触觉感知技术迈向实用化。