郭傳飛課題組：3D打印精準(zhǔn)制造超細微柱，賦能界面增韌+高靈敏感知雙效提升

來源：摩方精密

柔性觸覺傳感器是構(gòu)建智能機器人、可穿戴設(shè)備與人機交互系統(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)郭傳飛教授團隊創(chuàng)新性地引入超支化聚氨酯（HPU）微柱作為界面結(jié)構(gòu)，顯著提升了器件的力學(xué)穩(wěn)定性與響應(yīng)性能。相關(guān)成果以 “Micropillar-enabled tough adhesion and enhanced sensing” 為題在Cell Press旗下權(quán)威期刊《Matter》上發(fā)表。

在該研究中，研究人員基于摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù) 成功制備出一系列不同幾何參數(shù)（直徑為50–800 µm，高度200 µm）的微柱模具，為高性能傳感器界面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了核心技術(shù)支撐。

郭傳飛團隊首先合成了具高強度（~44 MPa）和高延展性（~1000%）的HPU彈性體材料，并系統(tǒng)研究了其缺陷敏感尺度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微柱直徑小于約77 µm的材料的缺陷敏感尺度時，內(nèi)部幾乎無誘發(fā)裂紋擴展的臨界缺陷，具備更強的應(yīng)力耗散能力。

為精準(zhǔn)制造微米級微柱結(jié)構(gòu)，研究團隊采用摩方精密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（圖1）。

圖1. 基于高韌性HPU的微柱界面構(gòu)建與尺寸效應(yīng)解析。

通過界面剝離和拉伸測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微柱直徑小于材料的缺陷敏感尺度時，微柱內(nèi)部幾乎不存在能夠誘導(dǎo)裂紋擴展的臨界缺陷，因此能承受更大的拉伸變形，有效提升界面韌性。具體而言，當(dāng)微柱直徑為50 μm時，界面韌性達到了5095 J m⁻2，比傳統(tǒng)的界面增韌方法提升了一個數(shù)量級以上（圖2）。

圖2. 微柱結(jié)構(gòu)界面的粘接性能。

該微柱結(jié)構(gòu)不僅在結(jié)構(gòu)層面增強了器件界面，還被作為傳感器的間隔層（spacer）集成至電容型柔性離電傳感器中。微柱在受壓時可發(fā)生可逆彈性屈曲，有效緩解壓縮引起的材料硬化問題。同時，微柱可通過大形變拉伸耗散能量，提高器件的界面韌性（圖3）。

圖3. 微柱spacer離電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面性能。

器件在0–450 kPa壓力范圍內(nèi)展現(xiàn)出高達73 kPa⁻1的靈敏度，在450–2500 kPa范圍內(nèi)仍可維持52.8 kPa⁻1的高性能響應(yīng)。此外，在7000 Hz機械振動下亦可穩(wěn)定輸出信號，展現(xiàn)出優(yōu)異的高頻動態(tài)性能。有限元模擬結(jié)果進一步揭示了微柱在加載/卸載過程中的彈簧行為和應(yīng)變能釋放機制。器件穩(wěn)定性方面，傳感器在750 kPa壓力與165 kPa剪切應(yīng)力下經(jīng)過2萬次摩擦循環(huán)測試，界面無明顯損傷，輸出信號無明顯異常，展現(xiàn)出極強的抗疲勞性（圖4）。

圖4. 傳感器的傳感性能。

在實際應(yīng)用中，該器件被集成于機器人夾爪系統(tǒng)，實現(xiàn)了對2.0 kg啞鈴的穩(wěn)定抓取，并在1000次快速上下運動過程中持續(xù)監(jiān)測抓取壓力，信號響應(yīng)穩(wěn)定，清晰展現(xiàn)出優(yōu)異的信號穩(wěn)定性與機械可靠性，遠超傳統(tǒng)PDMS封裝器件（圖5）。

圖5. 傳感陣列在機器手抓取重物中的應(yīng)用。

總結(jié)：研究團隊提出的基于HPU微柱結(jié)構(gòu)的界面設(shè)計策略，為柔性電子器件在極端工況下的穩(wěn)定運行提供了創(chuàng)新路徑。該結(jié)構(gòu)不僅顯著提升了傳感器的界面韌性，還通過彈性屈曲機制優(yōu)化了傳感性能，實現(xiàn)了器件界面增韌與靈敏響應(yīng)的協(xié)同增強。借助摩方精密微納3D打印技術(shù)的高精度制造能力，研究人員得以系統(tǒng)探究微結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)并實現(xiàn)多層器件的精準(zhǔn)構(gòu)建。未來，這一技術(shù)方案有望廣泛應(yīng)用于可穿戴健康監(jiān)測、人機交互與智能機器人等領(lǐng)域，推動柔性電子器件向更高性能、更強可靠性和更廣應(yīng)用場景的發(fā)展。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102221