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压力传感器，登上Science！

来源：科诺科研

在可穿戴设备、医疗监测、人机交互与软体机器人等领域，柔性压力传感器扮演着至关重要的角色。这类传感器能将机械力转化为电信号，但其性能长期面临一个根本性矛盾：高敏感度与宽检测范围往往难以兼得。对于传感材料而言，敏感度与杨氏模量成反比，而检测范围则与承载能力正相关。传统块体材料中，承载能力与杨氏模量通常呈正相关，而机械超材料通过精确设计单胞几何结构及其宏观排列，理论上能够解耦这些参数，同时实现低模量和高承载能力。然而，仅靠解耦这两者并不足以满足传感器需求。例如，多稳态或折纸结构虽然能通过不同稳定状态实现低模量高承载，但其形态切换通常依赖外力刺激决定变形路径，导致检测载荷存在不确定性。此外，为了满足单调的载荷-信号关系，机械超材料的设计还必须避免应力-应变曲线中常见的波动、平台区或不理想拐点等挑战。

鉴于此，华中科技大学的张耀教授和美国宾夕法尼亚州立大学的王庆教授开发出一种力电耦合超材料，将分子铁电材料嵌入三维打印的梯度晶格结构中，实现了自供电压力传感器。该设计通过梯度晶格实现自适应重构与可控变形模式转换，不仅协同实现了低模量与高承载能力，还建立了单调的机械载荷-电信号响应关系。通过在超材料中引入模量梯度，进一步增强了低载荷区域的灵敏度，并将检测范围扩展至六个数量级。这种双梯度超材料成功克服了现有传感器中敏感度与检测范围之间的内在制约关系。相关论文以题为“Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing”发表在最新一期《Science》上。

聚合物与复合晶格的制备与表征

研究团队采用数字光处理技术，以丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯等为前驱体，制备了聚合物晶格。通过调整组分，可使三维打印聚合物的杨氏模量在250kPa至2.3GPa近四个数量级范围内变化。该聚合物具有优异的电绝缘性，其电阻率约为1.16×10⁶Ω·m，韦伯击穿场强达335.58kV·cm⁻¹，远超所用分子铁电材料TMCM-CdCl₃（TCC）的矫顽场（8.1kV·cm⁻¹）。扫描电子显微镜与能谱分析证实，TCC晶体均匀分散在聚合物骨架表面（图1,A至F）。X射线衍射分析表明，TCC在晶格中晶体结构得以保持。复合晶格中成功诱导出压电性，而其力学性能几乎不受影响。

图 1 | SL、PL 和 HL 的设计

基本晶格结构的设计与性能

研究设计了三种基本晶格：斜支柱晶格（SL，图1A）、板状晶格（PL，图1B）和混合晶格（HL，图1C）。SL在压缩载荷下通过斜支柱弯曲变形，具有较低刚度，能在小应力下产生较大应变，因此灵敏度高，但在高应力下会坍塌（图1,G,H,J）。PL则通过垂直板的拉伸/压缩变形提供高承载能力，最高可承受42.5kPa应力，但在低应力下灵敏度较低（图1,H至K）。HL结合了斜支柱与垂直板，能在轻载下以支柱弯曲为主，实现低模量和高电压输出；在重载下，支柱坍塌后垂直板成为主要承力部件，提供高承载能力。有限元分析验证了上述变形模式转换（图1G）。所有晶格均沿垂直方向进行电晕极化，确保输出信号主要来自垂直压力，横向串扰极小。

梯度晶格结构超材料的设计与性能

为进一步优化性能，研究人员设计了梯度晶格结构（GLS），由上至下依次由SL、HL和PL层堆叠而成（图2A）。相邻晶格之间具有一致的几何特征与边界条件，确保了应力-应变响应的无缝过渡。基于计算优化，顶层SL采用最小相对密度（6.53%）以最大化压电灵敏度，底层PL采用最大相对密度（52.66%）以实现高检测上限。压缩测试表明，GLS在应变小于20%时，变形主要发生在顶层SL，其应力-应变曲线与SL重叠（图2C），在3.5Pa至345Pa应力范围内，压电电压从1.6mV增至91.5mV，灵敏度高达约263mV·kPa⁻¹，最低可检测3.5Pa的应力（图2D）。随着应变增加，变形平滑过渡至HL层，有效屏蔽了SL层的屈曲模式。在高应变区（>50%），SL与HL层逐渐致密化，激活PL层，使GLS能够承受高达770kPa的应力，并在70%应变下产生3.48V的压电电压（图2F）。因此，GLS整合了SL的低应力区高灵敏度与PL的高承载能力，检测范围达3.5Pa至770kPa（图2G）。

图 2 | SL、PL、HL 和 GLS 的结构、机械和压电响应

双梯度超材料的设计与性能

仿真显示，复合材料刚度与传感响应密切相关：提高杨氏模量有利于承载，但会降低压电电压输出。为此，研究进一步在GLS中引入力学梯度，制备了双梯度晶格（DGL），其顶层SL杨氏模量为300kPa，底层PL杨氏模量渐变至2.3GPa。相比GLS，DGL在2kPa低应力下产生17.5%的应变（GLS为3%），同时在70%应变下可承受3.45MPa的应力（GLS为0.77MPa）（图3A, C）。DGL实现了1.3Pa的检测下限和约320mV·kPa⁻¹的高灵敏度，检测范围跨越六个数量级，高达3.45MPa，远超现有压电传感器（图3,B,D,E,H）。在0.4至10kPa（日常活动相关）和10至50kPa（生理压力相关）压力范围内，GLS与DGL均展现出优于现有压电传感器的综合性能（图3,F,G）。此外，DGL在50%应变下经历10,000次循环后，应力-应变回线和压电响应变化极小，表现出优异的稳定性。

图 3 | GLS 和 DGL 的机械和压电响应

力电耦合超材料的应用演示

研究团队利用DGL制造了一只机械手（图4A）。该人工手指能够实时跟踪爬行中的瓢虫（约20mg）的运动，并检测下落肥皂泡（约2.5mg）的破裂（图4,B,C）。其承载能力使其能承受5kg钢球从20cm高处落下的极端冲击（图4,D,E）。通过建立输出电压与物体杨氏模量之间的关联，机械手能够精确测定从柔软柳絮（90Pa）到硬质软木（1.32GPa）的广泛模量范围物体的硬度（图4,F至H），其检测范围覆盖了食品材料中从生鸡蛋（约2kPa）到硬糖（1GPa）的完整杨氏模量谱。利用这一能力，机械手成功监测了新鲜牛油果在室温储存20天过程中杨氏模量的变化（从1860kPa降至174kPa），以及不同烹饪阶段鸡蛋的模量变化（从2kPa至30MPa），并监测了冷藏超过10周的硬质与软质奶酪的模量变化（图4,K至M）。此外，研究团队还将梯度晶格集成到小型电动车辆的轮子中，该轮子在不同高度和硬度的障碍物上行驶时会产生特征压电信号，成功实现了对模拟复杂自然环境（如山道、沼泽、沙漠）的地形图绘制。

图 4 | 机电超材料的演示

总结与展望

本研究结合有限元分析与数值模拟，设计了基于十四面体框架的基础晶格结构与梯度超材料，并通过增材制造实现了计算优化的结构。研究中使用的数字光处理树脂配方，可使三维打印聚合物的杨氏模量在近四个数量级内调节，并具备高电击穿强度，从而成功诱导分子铁电晶体的压电性能。所开发的梯度超材料不仅解耦了力学上相互依赖的性能，实现了高承载与低模量的结合，还实现了载荷下变形模式的自适应可控转换，建立了可预测且单调的机械载荷-电信号关系。特别是配备了晶格结构与杨氏模量双梯度的力电耦合超材料，实现了低检测限、高灵敏度及跨越六个数量级的检测范围，从根本上解决了传统压力传感器中敏感度与检测范围之间的折衷难题。研究者指出，通过几何与结构上设计微结构单胞及三维构型，并结合功能单元的嵌入，该方法有望为开发光、热、磁-机械等多种响应性超材料提供一条可行的路径。

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