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

導(dǎo)讀：觸覺(jué)傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、假肢、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。這些設(shè)備能夠檢測(cè)壓力和力等外部刺激并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)有效的環(huán)境檢測(cè)?？茖W(xué)家們已投入大量精力，致力于提升觸覺(jué)傳感器的傳感范圍和靈敏度——機(jī)械超材料在這一領(lǐng)域前景廣闊。具體而言，具有負(fù)泊松比的拉脹機(jī)械超材料 (AMM) 在壓縮時(shí)能夠向內(nèi)收縮并產(chǎn)生局部應(yīng)變集中。這些反直覺(jué)的特性使其成為設(shè)計(jì)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(shù)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(guó)立科技大學(xué) (SEOULTECH) 的一個(gè)研究小組，由研究第一作者、機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)器人工程系碩士生 Mingyu Kang 先生領(lǐng)導(dǎo)，其中包括機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程系副教授 SoonjaePyo 博士，提出了一種基于 3D AMM 的新型觸覺(jué)傳感平臺(tái)，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(shù)制造。

△基于AMM的觸覺(jué)傳感器的概念和設(shè)計(jì)。

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(jìn)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(jué)傳感平臺(tái)，利用3D打印的拉脹超材料進(jìn)行電容式和壓阻式傳感。在電容式傳感模式下，傳感器通過(guò)電極間距和介電分布調(diào)制來(lái)響應(yīng)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(luò)來(lái)改變負(fù)載下的電阻。

康先生說(shuō)道：“我們的技術(shù)利用獨(dú)特的負(fù)泊松比行為，在壓縮狀態(tài)下誘導(dǎo)內(nèi)向收縮，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)鍵方面增強(qiáng)了傳感器性能：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)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(jī)器人夾爪等設(shè)備中時(shí)減少干擾。此外，使用基于數(shù)字光處理的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?！?/div>

研究團(tuán)隊(duì)展示了兩個(gè)概念驗(yàn)證場(chǎng)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(jué)陣列，以及具有步態(tài)模式監(jiān)測(cè)和內(nèi)旋類型檢測(cè)功能的可穿戴鞋墊系統(tǒng)。

Pyo博士說(shuō)道：“傳感器平臺(tái)可集成到智能鞋墊中，用于步態(tài)監(jiān)測(cè)和內(nèi)旋分析；可精確操控物體的機(jī)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(cè)系統(tǒng)。重要的是，即使被限制在鞋墊層等剛性外殼內(nèi)，這種拉脹結(jié)構(gòu)也能保持靈敏度和穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)的多孔晶格通常會(huì)在這種環(huán)境下失效?？蓴U(kuò)展性以及與各種傳感模式的兼容性，也使其適用于壓力測(cè)繪表面、康復(fù)設(shè)備以及需要高靈敏度和機(jī)械強(qiáng)度的人機(jī)交互界面?！?/div>

未來(lái)十年，拉脹結(jié)構(gòu)3D打印觸覺(jué)傳感器或?qū)⒊蔀橄乱淮纱┐麟娮赢a(chǎn)品的支柱，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)、姿勢(shì)和健康指標(biāo)的持續(xù)、高保真監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和材料獨(dú)立性有望推動(dòng)定制化、特定應(yīng)用傳感器的研發(fā)，應(yīng)用于個(gè)性化醫(yī)療、高級(jí)假肢和沉浸式觸覺(jué)反饋系統(tǒng)。