荷叶在水下会在其微观和纳米结构表面上形成10-50μm厚的微小气层。这样的气层构成了明亮的反射性水-气界面。起初，接触线固定在表面微结构的尖端；随着水压的增加，水-气界面下沉并压缩气体，使得静水压力、毛细压力和被困气体的压力保持平衡。继续增加压力将解开接触线的固定。当水压下降时，这个过程会反转。荷叶表面的多尺度微/纳米结构、覆盖微/纳米结构的蜡质材料的低表面能量，以及气体的弹性使得这种反转成为可能。

换句话说，这种水下非润湿微结构自然地创建了一个压力敏感的固-液-气接触线，这意味着一种新的压力传感机制。以此为灵感，新加坡国立大学的研究人员受启发，开发了一种名为“eAir”的空气弹性压力传感器，从而彻底颠覆了传统压力检测的方式。

关于气动弹性压力传感器

气动弹性压力是指由于手术机器人操作器械与人体组织的接触而产生的压力，而气动弹性压力传感器主要用于测量和监测手术过程中的气动弹性压力。这种传感器通过测量机器人操作器械与人体组织接触时的压力变化来提供实时的反馈信息，可以帮助手术医生了解手术器械与组织的接触情况，以及手术过程中的压力变化。这对于手术机器人的精确操作和安全性非常重要。

传统的压力传感器经常面临精度问题，很难提供一致的读数，当重复施加相同的压力时，通常会返回不同的结果，并且可能会忽略压力的细微变化，以上这些都可能导致重大错误。此外，这类传感器通常由刚性且机械上不灵活的材料制成。

为了应对压力传感中的这些挑战，新加坡国立大学团队从一种被称为“荷叶效应”的现象中汲取灵感。“荷叶效应”是一种独特的自然现象，水滴可以毫不费力地从叶子表面滚落，这是源于其微小的防水结构。为了模仿这种效应，研究团队设计了一种压力传感器，旨在显著提高传感性能。

Tee 副教授解释称，这种传感器类似于微型“容量计”，可以检测到微小的压力变化，就和荷叶对水滴的极轻接触的敏感度类似。

eAir 传感器采用创新的“空气弹簧”设计，内部有一层空气，在与传感器液体接触时形成气液界面。随着外部压力的增加，该空气层会压缩。表面处理导致传感器内的界面进行无摩擦运动，触发电信号的变化，从而准确地反映所施加的压力。利用这种设计，荷叶的天然防水功能被重新构想为一种简单而优雅的压力传感工具。eAir 设备可以做得相对较小，这与现有的压力传感器相当。

eAir 传感器有望提高医疗应用的精度和可靠性。它可以通过为外科医生提供触觉反馈来优化腹腔镜手术，让医生可以更精确地操纵患者组织。此外，这款传感器还可以通过提供侵入性较小的颅内压（ICP）监测手段来改善患者体验，颅内压是神经系统疾病患者的一项关键健康指标。其研究结果最近于2023年8月17日发表在科学杂志《自然材料》上。

进一步优化eAir的结构设计和性能

“eAir”压力传感器采用创新的“空气弹簧”设计，其具有一个空气捕获层，在与传感器上的液体接触时可以形成气液界面。随着外部压力的增加，这一空气层会被压缩。此外，通过对传感器表面进行处理，该研究实现了传感器内部界面之间的无摩擦运动，从而触发了可以准确反映所施加压力的电信号变化。利用这种设计，荷叶的天然防水能力被重新设想为一种简单而精妙的压力传感工具。此外，这种“eAir”压力传感器可以被制作得相对较小，只有几毫米大小，这与现有的压力传感器的尺寸相当。

为了解决前向阈值效应并实现高线性度，研究者提出了一种新的设计，即六边形壁柱阵列结构，而不仅仅是六边形腔室。这种新结构通过超滑表面I实现了几乎零阈值、无滞后和高线性压力传感性能。采用共聚焦显微镜图像展示了该结构在不同压力下水下的润湿过程。研究者设计了圆顶和小直径的柱体，使得这些柱体能够在小压力下“穿透”液体-气体界面，从而进一步减小柱体上的接触线移动阻力。

结构优化的迭代过程包括开孔柱阵列、封闭六边形阵列和两者的结合，最终通过六边形壁柱阵列结构实现了最佳性能提升。eAir设备能够与体内压力传感器相比，具有更高的信噪比，可以测量小压力。此外，eAir设备还能够在液体环境中稳定运行，即使在高湍流流体环境中也能保持功能。此外，eAir设备对不同环境温度具有一致的性能，尽管其灵敏度会随温度升高而增加。

最后，为了扩展eAir设备的应用，研究者将其封装在一个薄的膜中，以隔离其与外部环境。封装后，设备的性能得到保持，但初始电容会略微增加。总之，通过结构和性能的优化，eAir设备实现了更高的线性度、稳定性以及在不同环境中的适应性。

eAir在生物医学领域的应用示例

这种“eAir”压力传感器有望提高医疗实践中的传感精度和可靠性，有望通过为外科医生提供触觉反馈来变革腹腔镜手术，从而使得外科医生可以更精确地操纵患者的组织。此外，“eAir”压力传感器可以通过提供一种侵入性较小的颅内压（ICP，是神经系统疾病患者的关键健康指标）监测方法来改善患者的治疗体验。

这项新技术在现实世界中的应用非常广泛。例如，在腹腔镜手术中，精确的触觉反馈是必不可少的，而借助“eAir”压力传感器可以实现更安全的手术过程，从而最终改善患者的康复和预后。“用抓取器做手术有其独特的挑战。精确的控制和对施加的力的准确感知是至关重要的，但传统的工具有时会难以满足以上诉求，这使得外科医生严重依赖经验，甚至直觉。然而，柔性且易于集成的‘eAir’压力传感器的引入有望带来变革。”Benjamin Tee副教授说。

“当外科医生进行微创手术，如腹腔镜手术或机器人手术时，其可以控制抓取器的颚板，但无法感知到末端执行器正在抓取什么。因此，外科医生必须依靠其视觉和多年的经验来判断人体触觉可以提供的关键信息。”新加坡国立大学医院（National University Hospital）、黄庭芳总医院（Ng Teng Fong General Hospital）及新加坡国立大学永禄林医学院（NUS Yong Loo Lin School of Medicine）普外科顾问Kaan Hung Leng博士解释说。

通过将eAir设备植入到大鼠模型中，可以实现对ICP的无线监测。通过将eAir连接到无线模块，可以将ICP信号传输到附近的移动设备。通过振荡电路，将压力波动转换为可数字化的频率信号，并通过校准振荡电路的频率响应，确定了频率与压力之间的关系。通过与鲍尔计衡器的比较，验证了植入式ICP传感器在复杂的体内环境下的可行性和有效性。

此外，eAir还可以为腹腔镜手术工具提供触觉敏感性。腹腔镜手术中使用的镊子的不适当握力会导致并发症的高发率。通过使用eAir，可以在镊子上实现远程力传感，因为eAir依赖于液体传感（通过液压传输）。将eAir封装在靠近镊子手柄的仓室中，并通过管道与集成在镊子夹头上的其他可压缩液体仓室（受体）连接。通过压缩受体上的弹性突起，将力传输到远程的eAir设备。这种设计下，eAir设备仍然能够以高线性度、低滞后和高灵敏度传递力。

通过将三个eAir设备组成的阵列，模拟了实时腹腔镜手术中的握持力监测应用。首先，逐渐推进镊子，温和地握持组织，由eAir读数准确显示出接触位置，使握持位置得以相应调整。其次，温和地握持并牵引组织，读数显示出接触压力的逐渐下降，表明由于握持力不足导致组织滑动。最后，通过更大的力握持组织并晃动镊子，观察到eAir读数的轻微变化，没有发生接触丧失，表明镊子夹头紧紧握住组织，成功避免了组织滑动。这一测试展示了eAir在腹腔镜手术中提供触觉反馈的潜力。