首爾科技大學3D打印可穿戴智能材料，引領下一代可穿戴設備和健康監(jiān)測

導讀：觸覺傳感器廣泛應用于機器人、假肢、可穿戴設備和醫(yī)療監(jiān)測領域。這些設備能夠檢測壓力和力等外部刺激并將其轉換為電信號，從而實現(xiàn)有效的環(huán)境檢測?？茖W家們已投入大量精力，致力于提升觸覺傳感器的傳感范圍和靈敏度——機械超材料在這一領域前景廣闊。具體而言，具有負泊松比的拉脹機械超材料 (AMM) 在壓縮時能夠向內收縮并產(chǎn)生局部應變集中。這些反直覺的特性使其成為設計性能優(yōu)異的傳感器和執(zhí)行器的理想選擇。然而，現(xiàn)有的 AMM 技術面臨制造和集成方面的挑戰(zhàn)。

2025年8月31日，南極熊獲悉，首爾國立科技大學 (SEOULTECH) 的一個研究小組，由研究第一作者、機械設計與機器人工程系碩士生 Mingyu Kang 先生領導，其中包括機械系統(tǒng)設計工程系副教授 SoonjaePyo 博士，提出了一種基于 3D AMM 的新型觸覺傳感平臺，具有球形空隙的立方晶格，并采用基于數(shù)字光處理的 3D 打印技術制造。

△基于AMM的觸覺傳感器的概念和設計。

他們的研究成果以題為“Additively Manufactured 3D Auxetic Metamaterials for Structurally Guided Capacitive and Resistive Tactile Sensing

”的論文發(fā)表在《先進功能材料》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509704

研究人員探索了觸覺傳感平臺，利用3D打印的拉脹超材料進行電容式和壓阻式傳感。在電容式傳感模式下，傳感器通過電極間距和介電分布調制來響應壓力，而在壓阻式傳感模式下，傳感器則利用保形涂層的碳納米管網(wǎng)絡來改變負載下的電阻。

康先生說道：“我們的技術利用獨特的負泊松比行為，在壓縮狀態(tài)下誘導內向收縮，從而將應變集中在傳感區(qū)域并提高靈敏度。除了這一基本機制之外，我們的拉脹設計還在三個關鍵方面增強了傳感器性能：通過局部應變集中提高靈敏度、嵌入密閉結構時實現(xiàn)卓越的性能穩(wěn)定性以及最小化相鄰傳感單元之間的串擾。與傳統(tǒng)的多孔結構不同，這種設計可最大限度地減少橫向膨脹，提高耐磨性，并在集成到智能鞋墊或機器人夾爪等設備中時減少干擾。此外，使用基于數(shù)字光處理的3D打印技術可以對傳感器性能進行精確的結構編程，從而無需更改基礎材料即可實現(xiàn)基于幾何形狀的定制?！?/div>

研究團隊展示了兩個概念驗證場景，突出了他們工作的新穎性：用于空間壓力映射和物體分類的觸覺陣列，以及具有步態(tài)模式監(jiān)測和內旋類型檢測功能的可穿戴鞋墊系統(tǒng)。

Pyo博士說道：“傳感器平臺可集成到智能鞋墊中，用于步態(tài)監(jiān)測和內旋分析；可精確操控物體的機械手；以及需要舒適感知且不影響日常生活的可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)。重要的是，即使被限制在鞋墊層等剛性外殼內，這種拉脹結構也能保持靈敏度和穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)的多孔晶格通常會在這種環(huán)境下失效。可擴展性以及與各種傳感模式的兼容性，也使其適用于壓力測繪表面、康復設備以及需要高靈敏度和機械強度的人機交互界面?！?/div>

未來十年，拉脹結構3D打印觸覺傳感器或將成為下一代可穿戴電子產(chǎn)品的支柱，實現(xiàn)對人體運動、姿勢和健康指標的持續(xù)、高保真監(jiān)測。結構適應性和材料獨立性有望推動定制化、特定應用傳感器的研發(fā)，應用于個性化醫(yī)療、高級假肢和沉浸式觸覺反饋系統(tǒng)。