首尔科技大学3D打印可穿戴智能材料，引领下一代可穿戴设备和健康监测

导读：触觉传感器广泛应用于机器人、假肢、可穿戴设备和医疗监测领域。这些设备能够检测压力和力等外部刺激并将其转换为电信号，从而实现有效的环境检测。科学家们已投入大量精力，致力于提升触觉传感器的传感范围和灵敏度——机械超材料在这一领域前景广阔。具体而言，具有负泊松比的拉胀机械超材料 (AMM) 在压缩时能够向内收缩并产生局部应变集中。这些反直觉的特性使其成为设计性能优异的传感器和执行器的理想选择。然而，现有的 AMM 技术面临制造和集成方面的挑战。

2025年8月31日，南极熊获悉，首尔国立科技大学 (SEOULTECH) 的一个研究小组，由研究第一作者、机械设计与机器人工程系硕士生 Mingyu Kang 先生领导，其中包括机械系统设计工程系副教授 SoonjaePyo 博士，提出了一种基于 3D AMM 的新型触觉传感平台，具有球形空隙的立方晶格，并采用基于数字光处理的 3D 打印技术制造。

△基于AMM的触觉传感器的概念和设计。

他们的研究成果以题为“Additively Manufactured 3D Auxetic Metamaterials for Structurally Guided Capacitive and Resistive Tactile Sensing

”的论文发表在《先进功能材料》杂志上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509704

研究人员探索了触觉传感平台，利用3D打印的拉胀超材料进行电容式和压阻式传感。在电容式传感模式下，传感器通过电极间距和介电分布调制来响应压力，而在压阻式传感模式下，传感器则利用保形涂层的碳纳米管网络来改变负载下的电阻。

康先生说道：“我们的技术利用独特的负泊松比行为，在压缩状态下诱导内向收缩，从而将应变集中在传感区域并提高灵敏度。除了这一基本机制之外，我们的拉胀设计还在三个关键方面增强了传感器性能：通过局部应变集中提高灵敏度、嵌入密闭结构时实现卓越的性能稳定性以及最小化相邻传感单元之间的串扰。与传统的多孔结构不同，这种设计可最大限度地减少横向膨胀，提高耐磨性，并在集成到智能鞋垫或机器人夹爪等设备中时减少干扰。此外，使用基于数字光处理的3D打印技术可以对传感器性能进行精确的结构编程，从而无需更改基础材料即可实现基于几何形状的定制。”

研究团队展示了两个概念验证场景，突出了他们工作的新颖性：用于空间压力映射和物体分类的触觉阵列，以及具有步态模式监测和内旋类型检测功能的可穿戴鞋垫系统。

Pyo博士说道：“传感器平台可集成到智能鞋垫中，用于步态监测和内旋分析；可精确操控物体的机械手；以及需要舒适感知且不影响日常生活的可穿戴健康监测系统。重要的是，即使被限制在鞋垫层等刚性外壳内，这种拉胀结构也能保持灵敏度和稳定性，而传统的多孔晶格通常会在这种环境下失效。可扩展性以及与各种传感模式的兼容性，也使其适用于压力测绘表面、康复设备以及需要高灵敏度和机械强度的人机交互界面。”

未来十年，拉胀结构3D打印触觉传感器或将成为下一代可穿戴电子产品的支柱，实现对人体运动、姿势和健康指标的持续、高保真监测。结构适应性和材料独立性有望推动定制化、特定应用传感器的研发，应用于个性化医疗、高级假肢和沉浸式触觉反馈系统。