韓國(guó)團(tuán)隊(duì)利用3D打印拉脹機(jī)械超材料，開(kāi)發(fā)高性能觸覺(jué)傳感器

2025年9月4日，南極熊獲悉，韓國(guó)首爾國(guó)立科技大學(xué)的研究人員利用拉脹機(jī)械超材料 (AMM) 開(kāi)發(fā)了一種3D打印觸覺(jué)傳感器，該傳感器可為可穿戴設(shè)備、機(jī)器人和醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)提供高靈敏度、高穩(wěn)定性和多功能性。另外，新的平臺(tái)利用負(fù)泊松比材料反直覺(jué)的內(nèi)向收縮特性，有望重新定義人體運(yùn)動(dòng)、姿勢(shì)和健康狀況的實(shí)時(shí)追蹤。

△首爾國(guó)立科技大學(xué)所提出的基于超材料的觸覺(jué)傳感技術(shù)

用于先進(jìn)觸覺(jué)感知的拉脹超材料

觸覺(jué)傳感器將外部刺激（例如壓力和力）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在機(jī)器人技術(shù)、假肢、可穿戴技術(shù)和醫(yī)療保健領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。機(jī)械超材料，尤其是拉脹機(jī)械超材料 ，通過(guò)獨(dú)特的負(fù)泊松比（可在壓縮狀態(tài)下集中應(yīng)變）來(lái)增強(qiáng)傳感器性能。這種特性使傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的靈敏度、減少單元間的串?dāng)_并提高運(yùn)行穩(wěn)定性，使它非常適合集成到可穿戴電子設(shè)備和機(jī)器人系統(tǒng)中。

為了克服制造和集成方面的挑戰(zhàn)，由碩士生Mingyu Kang和副教授Soonjae Pyo領(lǐng)導(dǎo)的首爾科技大學(xué) (SEOULTECH) 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于3D AMM的觸覺(jué)傳感平臺(tái)。該傳感器采用立方晶格結(jié)構(gòu)，內(nèi)含球形空隙，并采用數(shù)字光處理 (DLP) 3D打印技術(shù)制作。它支持電容式和壓阻式兩種工作模式：電容式傳感通過(guò)改變電極間距和介電分布來(lái)測(cè)量壓力，而壓阻式傳感則利用碳納米管網(wǎng)絡(luò)在負(fù)載下改變電阻。

Kang解釋道：“我們技術(shù)利用獨(dú)特的負(fù)泊松比特性，在壓縮狀態(tài)下誘導(dǎo)向內(nèi)收縮，從而將應(yīng)變集中在傳感區(qū)域并提高靈敏度。除了這一基本機(jī)制之外，我們的拉脹設(shè)計(jì)還在三個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)一步增強(qiáng)了傳感器的性能：通過(guò)局部應(yīng)變集中提高靈敏度、嵌入密閉結(jié)構(gòu)時(shí)實(shí)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?dāng)_。與傳統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu)不同，這種設(shè)計(jì)最大限度地減少了橫向膨脹，提高了耐磨性，并在集成到智能鞋墊或機(jī)器人夾持器等設(shè)備中時(shí)減少了干擾。此外，使用基于DLP的3D打印技術(shù)可以對(duì)傳感器性能進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)編程，從而無(wú)需更改基礎(chǔ)材料即可實(shí)現(xiàn)基于幾何形狀的定制。”

△3D打印智能鞋墊

應(yīng)用和未來(lái)潛力

研究人員演示了兩個(gè)概念驗(yàn)證應(yīng)用：一個(gè)用于空間壓力映射和物體分類(lèi)的觸覺(jué)陣列，以及一個(gè)用于步態(tài)監(jiān)測(cè)和足內(nèi)旋分析的可穿戴鞋墊系統(tǒng)。嵌入智能鞋墊的傳感器可以檢測(cè)足內(nèi)旋不足和過(guò)度內(nèi)旋，并提供足部姿勢(shì)的實(shí)時(shí)反饋。它們還可以集成到機(jī)械手上進(jìn)行物體操控，或用于優(yōu)先考慮舒適性和低干擾感知的可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

上圖展示了一款用于步態(tài)監(jiān)測(cè)和內(nèi)旋分析的智能鞋墊。a) 圖a比較了傳統(tǒng)PPR結(jié)構(gòu)與膨脹NPR結(jié)構(gòu)的壓力響應(yīng)。b) 圖b展示了基于AMM、BCC和SC結(jié)構(gòu)的電阻式觸覺(jué)傳感器，在獨(dú)立與嵌入式兩種條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。c) 圖c顯示了每種傳感器在10 kPa和20 kPa壓力下，于獨(dú)立和嵌入式條件中的歸一化電流響應(yīng)。d) 圖d為可穿戴鞋墊系統(tǒng)的概念圖，其中嵌入了五個(gè)基于AMM的觸覺(jué)傳感器。e) 圖e展示了行走、內(nèi)旋不足和內(nèi)旋過(guò)度時(shí)的實(shí)時(shí)傳感器輸出及相應(yīng)足部姿勢(shì)圖像。綜上可以看出，內(nèi)旋不足時(shí)外側(cè)傳感器（3-5）響應(yīng)更快；而內(nèi)旋過(guò)度時(shí)，則是內(nèi)側(cè)傳感器（1-3）的主導(dǎo)響應(yīng)更為明顯。

展望未來(lái)，3D打印拉脹觸覺(jué)傳感器有望驅(qū)動(dòng)下一代可穿戴電子設(shè)備、個(gè)性化假肢和沉浸式觸覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展。它的結(jié)構(gòu)靈活且不依賴于特定材料，因而能針對(duì)醫(yī)學(xué)、機(jī)器人及交互技術(shù)領(lǐng)域的特定應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)。