一体化3D打印传感器，低成本革新柔性传感与工业监测

来源：复合材料力学

工业4.0时代，机器需要更聪明的“感官”——但传统传感器成本高、生产慢、功能单一？我们颠覆性突破来了！只需一台3D打印机，用“碳纤维+TPU”复合材料快速打造一体化超材料传感器：低成本材料、数小时量产、单层结构直接感知应变、应力、温度！从机械臂实时精准操控，到复杂环境下的设备健康监测，它像给工业机器装上“感知神经”，让生产线自主适应复杂工况。告别多层堆叠和复杂工艺，这才是未来智能制造的“基础设施”！

近期，西安交通大学韩宾、张琦教授团队提出一种创新方法：基于连续碳纤维（CCF）和热塑性聚氨酯（TPU），通过熔融沉积建模3D打印技术结合星形超材料设计，成功制备高性能柔性多功能传感器。相关成果以“3D printed continuous carbon fiber reinforced TPU metamaterials for flexible multifunctional sensors”为题发表于国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》。

图1  传感测量的原理

柔性多功能传感器能够同时检测和传输不同外部信号的变化，在电子皮肤、人机交互等领域具有巨大的应用潜力。然而，制造具有多种功能的柔性传感器在成本、生产率和集成方面仍然是一项具有挑战性的任务。该研究介绍了一种利用连续碳纤维（CCF）和熔融沉积建模（FDM） 3D打印技术，结合星形超材料设计，制作柔性多功能传感器的新方法。

研究开发的传感器通过创新3D打印技术实现单层集成，摒弃了传统工艺中复杂的化学合成与多层封装步骤，生产速度高达2.9米/小时，较传统方法提升5倍。其核心功能涵盖应变（0-180%）、应力（0-1 MPa）及温度（30-100°C）的同步检测，温度灵敏度达0.5%/°C，尤其在冲击载荷下电阻变化率高达15%，展现了宽域传感能力与高环境适应性。通过星形超材料的路径优化设计，传感器实现了各向同性结构，在1000次拉伸循环后电阻波动小于3%，耐久性显著超越传统碳纳米管/PDMS传感器，为可穿戴设备与工业监测提供了高稳定性的解决方案。最后通过将该工作的柔性传感器应用于假手动作感知与操控，有望实现“远程操控+智能抓取”的集成场景应用。

图2  本研究与传统多层柔性传感器的综合性能评估

图3  手腕弯曲实验及弯曲过程中的阻力变化

图4  冲击载荷下的电阻特性

图5 3D柔性传感器应用于假手动作感知与操控：远程柔性操控+智能抓取未来

研究的创新点如下：

（1）通过超材料结构设计，赋予CCF/TPU传感器对应变、应力及温度的协同响应能力，首次实现单一材料多物理场同步检测，为复杂环境监测提供关键数据。

（2）基于手形超材料的柔性传感器成功应用于人体肘部运动监测，验证其在运动追踪场景的实用性，拓展了可穿戴设备的传感维度。

（3）采用一体化3D打印工艺，实现高集成度、低成本与快速制造，突破传统传感器工艺复杂与高成本的瓶颈。

未来该团队的研究将聚焦于提升传感器对多源信号的解耦能力，并深入探究其在振幅、频率及模态分析等维度的振动传感特性，结合超材料的结构优势进一步优化动态响应性能。通过深化对复合信号识别机制与振动能量传递规律的研究，该技术有望在工业监测、智能机器人触觉反馈等领域拓展应用边界，持续释放其技术潜力与实用价值。

西安交通大学韩宾副教授为论文的通讯作者。论文的第一作者是西安交通大学研究生王一诺。合作者还包括西安交通大学张琦教授。

作者简介：

韩宾，西安交通大学机械工程学院长聘副教授，博士生导师，Materials期刊编委、航天制造技术期刊青年编委。从事多功能轻质结构创新设计、先进增材制造技术、复合材料成形及焊接等领域的研究工作。主持承担国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题、军工科研项目、省部级科研项目及校企合作项目等20余项。在Int Mater Rev, Compos Part B,ChemEng J, Compos SciTechnol, AdditManuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J MechSci, Mater Design, Compos Struct等学术期刊发表中英文论文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次，H因子32；获得授权发明专利40项、软件著作权5项；荣获陕西省科技进步一等奖、陕西高校科学技术一等奖、陕西博士后创新创业大赛银奖、江苏省力学学会科学技术特等奖等省部级奖励4项。

个人主页：

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/hanbinghost

https://scholar.google.com/citat ... u0AAAAJ&hl=en&oi=ao

张琦，西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师。陕西省三秦英才特殊支持计划科技创新领军人才，十四五“增材制造与激光制造”重点专项总体组专家，中国航发科技委专业委员会委员，大飞机增材制造协同创新联盟理事，陕西省机械工程学会理事，机械工程学会塑性工程分会理事。国防科学技术进步二等奖及陕西省科技进步一等奖，主持JKW基础加强项目，激光与增材制造重点研发计划，国家自然科学基金，04重大专项，陕西省重点研发计划。发表高水平学术论文120余篇，授权发明专利148项。

个人主页：

https://gr.xjtu.edu.cn/web/henryzhang