在當(dāng)代智能制造、生物醫(yī)學(xué)與人機(jī)交互深度融合的背景下，柔性傳感器正成為下一代智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。從皮膚仿生觸覺系統(tǒng)到智能健康監(jiān)測，再到植入式治療設(shè)備，高性能傳感器正在向柔性化、微結(jié)構(gòu)化、智能化發(fā)展。
為追求靈敏度、響應(yīng)速度與穩(wěn)定性，微型傳感器的設(shè)計與構(gòu)建往往面臨“材料性能-結(jié)構(gòu)強(qiáng)度-功能表現(xiàn)”之間的多重折中。隨著柔性電子與軟體機(jī)器系統(tǒng)的興起，傳感器的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)與復(fù)雜界面成為性能提升的瓶頸所在。微納3D打印技術(shù)的引入，為傳感器在設(shè)計自由度、精度調(diào)控、材料集成和功能構(gòu)建方面帶來突破，在構(gòu)建高靈敏、高頻響、生物兼容及可植入傳感系統(tǒng)中的發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
科研應(yīng)用案例一：南方科技大學(xué)郭傳飛課題組精準(zhǔn)制造超細(xì)微柱，賦能界面增韌+高靈敏感知雙效提升
柔性觸覺傳感器是構(gòu)建智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備與人機(jī)交互系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件。面對高剪切應(yīng)力、大變形等復(fù)雜工況，多層柔性傳感器器件常面臨界面脫層、信號不穩(wěn)定等技術(shù)瓶頸。為實現(xiàn)“既牢固又靈敏”的性能兼顧，南方科技大學(xué)郭傳飛教授團(tuán)隊以人造皮膚傳感為出發(fā)點(diǎn)，提出了通過微納結(jié)構(gòu)界面增強(qiáng)器件機(jī)械強(qiáng)度與信號響應(yīng)性能的設(shè)計思想。研究團(tuán)隊利用一種超強(qiáng)韌性的超支化聚氨酯（HPU）材料，通過微納3D打印技術(shù)構(gòu)建出垂直排列的微柱陣列界面。與傳統(tǒng)界面增強(qiáng)方法相比，該微柱結(jié)構(gòu)不僅顯著提高了界面韌性（可達(dá)5095 J/m2），還因其在微尺度下避免裂紋擴(kuò)展，使得整個傳感器具備優(yōu)異的壓力靈敏度與動態(tài)響應(yīng)能力（可響應(yīng)7 kHz以上的高頻壓力刺激）。
圖. 微柱結(jié)構(gòu)界面的粘接性能。
為精準(zhǔn)制造微米級微柱結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊采用摩方精密microArch? S230 (精度：2 μm) 3D打印設(shè)備，高效打印出多個尺寸等級的微柱模具，并用于構(gòu)建HPU微柱陣列粘接界面。該成果為柔性傳感器的發(fā)展開辟了一條可行性路徑：利用微納3D打印構(gòu)建微結(jié)構(gòu)力學(xué)界面，使其既具韌性，又具傳感功能，有效實現(xiàn)“結(jié)構(gòu)-功能一體化”的多層柔性系統(tǒng)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102221
科研應(yīng)用案例二：理論突破，從有限元模擬到微觀接觸力學(xué)的建模設(shè)計
近幾十年來，具有高靈敏度的電容式壓力傳感器 （CPS） 在醫(yī)療監(jiān)測、人工智能和軟機(jī)器人等應(yīng)用中具有較大潛力。提高靈敏度主要集中在材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，褶皺、金字塔和微柱等表面微觀結(jié)構(gòu)被證明是有效的。
來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的團(tuán)隊，本文以正弦波曲面為代表模型，通過接觸力學(xué)分析闡明了靈敏度增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)制, 并通過有限元和實驗驗證了理論結(jié)果。經(jīng)研究表明, 通過優(yōu)化材料屬性(如楊氏模量和相對介電常數(shù))， 調(diào)整表面粗糙度和襯底厚度，可顯著提高傳感器靈敏度。當(dāng)幅值-波長比值約為0.2時，傳感器靈敏度達(dá)到最高水平。這些結(jié)果為設(shè)計超靈敏CPS提供了關(guān)鍵指導(dǎo), 強(qiáng)調(diào)了介質(zhì)-空氣間隙相互作用在提高靈敏度方面的作用，為超靈敏電容壓力傳感器的未來設(shè)計提供了有價值的指導(dǎo)。為了制備出正弦波結(jié)構(gòu)的介電層，研究團(tuán)隊利用正弦波結(jié)構(gòu)模型3D打印出樹脂結(jié)構(gòu)作為模具，并使用到摩方精密微納3D打印系統(tǒng)：S130（光學(xué)精度：2微米），從而更好地揭示表面微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)（如波幅與波長比H/λ）對壓力靈敏度的直接影響。
而該理論框架，不僅為后續(xù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了定量優(yōu)化依據(jù)，也進(jìn)一步凸顯微納3D打印在可控制造復(fù)雜微結(jié)構(gòu)方面的重要性，能夠在亞微米甚至納米尺度上精準(zhǔn)構(gòu)建具有設(shè)定彈性模量與電性能的微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)設(shè)計—制造—性能的閉環(huán)優(yōu)化。
圖(a)波浪形微結(jié)構(gòu)壓力傳感器的制作工藝；(b)微結(jié)構(gòu)圖像，總厚度為970μm，峰谷高度為74μm，波長為200μm
論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s10409-024-24619-x
科研應(yīng)用案例三：受皮膚感知器官啟發(fā)的新型3D打印自修復(fù)，非觸覺與觸覺多功能柔性傳感器
隨著智能穿戴設(shè)備和人機(jī)交互技術(shù)的快速發(fā)展，柔性傳感器展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展前景。然而，制備具有多種功能的柔性傳感器仍然是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。來自廣西大學(xué)的科研團(tuán)隊，成功開發(fā)了一種新型3D打印多功能柔性傳感器（3DMFS），實現(xiàn)了微壓感應(yīng)、動態(tài)接近感知、內(nèi)在自愈等多種功能的集成。該傳感器利用多級仿生結(jié)構(gòu)的介電層設(shè)計和雙電層效應(yīng)（EDL）的結(jié)合，實現(xiàn)了2.449 kPa-1（＜0.5 kPa）的高靈敏度，58 ms的快速響應(yīng)時間，0.5 Pa的最低檢測限，以及0.1%的超高壓力分辨率。并且傳感器在完全受損后，依靠自身的自修復(fù)能力仍能恢復(fù)原始靈敏度的95%。
研究團(tuán)隊受此設(shè)計了一種具有表面凸起的兩級間歇結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的微柱、半球、金字塔等均質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，這種分級結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通過讓第二級結(jié)構(gòu)分擔(dān)部分壓力，使得整體的結(jié)構(gòu)變形不會迅速飽和，并且保護(hù)一級結(jié)構(gòu)在高壓下免受損壞。傳感器的自愈合性能通過使用具有本征自修復(fù)特性的材料實現(xiàn)，其整體采用經(jīng)典的三明治形式封裝。實驗所用仿生間歇結(jié)構(gòu)介電層，是利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)(microArch S230，精度：2 μm)制備而成。
圖. 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備策略
該研究利用傳感器的多功能傳感特性，證明了該傳感器在智能假肢，智能可穿戴等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。未來，該研究團(tuán)隊還將致力于將觸覺傳感信息與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，實現(xiàn)對不同材料種類和表面形狀類型的準(zhǔn)確感知，應(yīng)用到具身智能領(lǐng)域（比如仿生、類人機(jī)器人）中。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2025.102287
傳感器作為連接現(xiàn)實世界與數(shù)字系統(tǒng)的“觸角”，其性能直接決定了智能系統(tǒng)的感知邊界。微納3D打印技術(shù)在制造精度方面的優(yōu)勢、結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度和材料兼容性，在柔性、智能、生物可融合傳感器領(lǐng)域發(fā)揮出顛覆性作用。隨著更多基礎(chǔ)材料科學(xué)與制造技術(shù)的融合，微納3D打印將在構(gòu)建新一代多維傳感體系中扮演不可或缺的角色，助力從感知技術(shù)到智能系統(tǒng)的全面躍遷。
