基于超构材料的触觉传感器，提升压力传感性能
2025-09-13 22:47:32 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种基于负泊松比超构材料的触觉传感平台。利用数字光处理3D打印技术，研究人员实现了一个几何结构简单但功能多样的超构材料，其在受压时表现出负泊松比特性，能够发生向内形变，从而实现应变局域化，提升传感性能。
据麦姆斯咨询报道，近期，韩国首尔国立科学技术大学（Seoul National University of Science and Technology）的研究人员借助“负泊松比”超构材料，成功研发出具有高灵敏度的触觉传感器，可用于可穿戴设备、假肢及机器人。
触觉传感器广泛应用于触摸屏、触控板、智能手表及运动追踪器等产品中。这类传感器能将力、应变等物理刺激，转化为器件内部的电信号响应。除了消费类电子产品，触觉传感器在先进的假肢、工业机器人、安防系统以及健康监测设备中也具有重要价值——此类健康监测设备可通过反馈用户的身体运动状态，实现健康数据的实时监测。
超构材料因其多样的物理特性而具备可调控性，在触觉传感器与执行器领域备受青睐。通过调整超构材料的周期性蜂窝结构，可实现对传感器所受压力的集中或放大，进而赋予其特定的功能特性。
正泊松比（PPR）与负泊松比（NPR）材料形变行为对比
有趣的是，超构材料中一类名为“负泊松比超构材料（AMM）”的材料具有负泊松比特性：即受压时，材料会发生横向收缩而非横向膨胀。近期，韩国首尔国立科学技术大学的Soonjae Pyo教授团队采用数字光处理（DLP）3D打印技术，研发出基于硅橡胶的负泊松比超构材料，该超构材料以立方晶格为基础结构，内部包含特定排列的球形空隙。当受到外力作用时，这些球形空隙周围的连接部位易发生旋转形变，从而推动材料产生上述横向收缩现象。相关研究成果以“Additively Manufactured 3D Auxetic Metamaterials for Structurally Guided Capacitive and Resistive Tactile Sensing”为题，发表于Advanced Functional Materials期刊上。
基于负泊松比超构材料的触觉传感器概念与设计
该研究团队基于该负泊松比超构材料研发出了两款触觉传感器：一款是电容式传感器，可直接对压力变化产生响应；另一款是采用碳纳米管（CNT）涂层的电阻式传感器，能感知压力并产生电阻变化。通常而言，电容式传感器对微小压力变化的灵敏度更高，而电阻式传感器更适合检测较大压力，二者在功能上互补。
基于超构材料的电容式触觉传感器性能研究
基于超构材料的电阻式触觉传感器性能研究
为了探索实际应用场景，该研究团队通过构建负泊松比超构材料阵列研发出一款电阻式传感器。该阵列由16个超构材料单元按4行4列的网格结构排列而成，形成16像素检测网格，每个单元均集成在定制电极之间。研究人员对该传感器施加不同强度的应力，以此评估其灵敏度与空间分辨能力。此外，研究人员还利用上述压阻式传感器开发出一种智能鞋垫，可在用户外出散步时实现步态监测与分析。
基于智能鞋垫的步态监测和分析
综上所述，研究人员开发了一种基于负泊松比超构材料的触觉传感平台。利用数字光处理3D打印技术，研究人员实现了一个几何结构简单但功能多样的超构材料，其在受压时表现出负泊松比特性，能够发生向内形变，从而实现应变局域化，提升传感性能。通过将该超构材料分别集成到电容式和电阻式两种传感结构中，研究人员证明了该超构材料为触觉传感器提供了一种“与材料无关、以结构为核心”的设计思路。与采用相同材料体系制备的传统正泊松比多孔结构相比，上述两种传感器均展现出更优异的压力灵敏度，可用于优化可穿戴健康监测设备的性能、提高假肢的灵敏度，以及增强机器人的触觉功能。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509704
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