2026年6月，华中科技大学、武汉理工大学 、上海交通大学以及美国宾夕法尼亚州立大学的学者合作完成了一项题目为《Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing》的研究，已发表在顶级期刊《Science》上。研究团队通过3D打印技术制备了具有双梯度晶格结构与模量分布的力电超材料，成功突破了传统压力传感器灵敏度与检测范围难以兼顾的固有矛盾。
研究背景
力学超材料通过对单元结构几何形状及其宏观排布方式的精确设计，可以实现天然材料所不具备的特殊力学性能。然而，如何在超材料中引入除力学性能之外的其他功能，一直是该领域的一大挑战。柔性压力传感器作为将机械力转化为电信号的关键器件，在可穿戴设备、健康监测、人机交互和软体机器人等领域需求迫切，但现有传感材料普遍存在灵敏度与检测范围不可兼得的问题：灵敏度往往与材料的杨氏模量成反比，而检测范围又与材料的承载能力正相关，二者在传统块体材料中难以同时优化。虽然理论上力学超材料可以解耦承载能力与模量，但此前的多稳态、折纸启发式等可编程超材料的形变模式转变通常依赖外部力刺激来决定路径，检测载荷存在不确定性，且容易出现应力-应变曲线的波动、平台区或转折点，难以形成单调的载荷-信号响应关系，因而不适用于传感器设计。
研究内容
针对上述难题，研究团队提出了一种将分子铁电材料嵌入3D打印晶格骨架、并同时具备晶格几何梯度和杨氏模量梯度的力电超材料。
•材料制备方面，研究团队采用数字光固化（DLP）3D打印技术，以丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯和2-(2-乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯为基础配方打印聚合物晶格骨架，通过调节配方组成，可使3D打印聚合物的杨氏模量在250 kPa至2.3 GPa范围内调控，跨越近四个数量级。此聚合物同时具备优异的电绝缘性能（电阻率约1.16×10⁹ Ω·m，韦布尔击穿场强达335.58 kV/cm），可满足后续电极化工艺对绝缘强度的要求。随后，将分子铁电材料TMCM-CdCl₃（吸附进入打印好的聚合物骨架中，形成兼具压电特性的复合晶格。
•结构设计方面，研究团队基于十四面体（tetrakaidecahedron）晶格框架，设计了三种基本晶格：
-杆状晶格（SL）受压时依靠倾斜杆件的弯曲变形，刚度较低，适合响应微小载荷；
-板状晶格（PL）依靠竖直板件的拉伸/压缩变形，刚度高、承载能力强；
-杆板混合晶格（HL）融合了倾斜杆件与竖直板件，可在小载荷下发生杆件弯曲变形、在大载荷下转变为板件压缩变形，实现变形模式的自适应转换。
△SL、PL和HL的设计(A-C) 多晶胞（3×3×3个晶胞）和单个晶胞的示意图。倾斜支柱和垂直板分别用红色和绿色标记。在压缩状态下，倾斜支柱和垂直板分别经历弯曲和压缩变形模式。(D-F) 3D打印样品的照片。比例尺为3 mm。(G) 通过建模预测的多晶胞和单晶胞在单轴压缩载荷（10 Pa和9 kPa）下体心处的应力分布图。载荷已按晶格顶部面积进行归一化处理。(H和I) 通过单轴压缩试验和建模获得的应变范围为0至20%和20至50%的应力-应变曲线。SL、PL和HL均由杨氏模量为2.5 MPa的压电复合材料构成，三种晶格结构中支柱和板的厚度均为0.28 mm。(J和K) 通过单轴压缩试验和建模获得的应变范围为0至50%的电压-应力曲线。FEA表示有限元分析。
在此基础上，团队进一步设计了由SL、HL、PL三层依次组成的梯度晶格结构（GLS），通过控制各层相对密度（SL最低相对密度6.53%，受限于160微米的最小可打印厚度；PL最高相对密度52.66%；HL相对密度沿高度从9.12%渐变至22.87%），实现了层间力学响应的无缝过渡，保证了应力-应变及电压-应力曲线的单调性。团队还引入了杨氏模量梯度，制成同时具备晶格结构梯度与模量梯度的双梯度晶格（DGL），其杨氏模量由顶层SL层的300 kPa逐渐过渡至底层PL层的2.3 GPa。
△SL、PL、HL和GLS的结构、力学及压电响应(A) GLS的结构示意图。(B) 3D打印GLS的照片。比例尺为3 mm。(C) 应变区间0至20%范围内的应力-应变曲线。(D) 加载区间<0.4 kPa内的电压-应力曲线。(E) 应变区间20至70%范围内的应力-应变曲线。虚线框分别强调GLS在低载荷和高载荷下保持SL和PL的力学特征。(F) 高载荷区间的电压-应力曲线。(G) 灵敏度和额定压力的对比。
研究结论
实验结果表明，GLS结构使超材料在低应力区（<0.4 kPa）表现出约263 mV/kPa的高灵敏度，输出电压随应力从3.5 Pa增至345 Pa时由1.6 mV升至91.5 mV，最低可检测应力为3.5 Pa；在高应力区，该结构可承受高达770 kPa的载荷，并在70%应变下产生3.48 V的压电电压，整体检测范围覆盖3.5 Pa至770 kPa。
△GLS和DGL的力学及压电响应(A) 应变范围0至20%（低应变）区间的应力-应变曲线。(B) 微弱应力区间的电压-应力曲线。(C) 应变范围20至70%（高应变）区间的应力-应变曲线。DGL在应变低于20%时主要通过顶部SL层的弯曲变形；在应变20至50%区间，激活-屏蔽机制使主导变形模式从弯曲转变为中间HL层的压缩；在更高应变（>50%）区域，材料梯度使DGL保持PL层更高的承载能力，此时PL层主要通过压缩变形。(D) 高应力区间的电压-应力曲线。(E) 各类传感器灵敏度和最低检测限的对比。(F和G) 各类传感器在低压（0.4至10 kPa）和中压（10至50 kPa）范围内灵敏度和检测范围（定义为检测上限与最低检测限之差）的对比。(H) 各类传感器整体检测范围的对比。
进一步引入模量梯度的DGL性能更为突出：与GLS相比，DGL在同等应力（2 kPa）下产生更大的应变（17.5%对比3%），在70%应变下可承受更高的应力（3.45 MPa对比0.77 MPa）。DGL的最低检测限低至1.3 Pa，低压区灵敏度约320 mV/kPa，同时最高可承受3.45 MPa的应力，检测范围跨越六个数量级，整体性能优于目前已报道的压电传感器。此外，DGL在经过1万次循环压缩测试（50%应变）后，其应力-应变曲线及压电响应变化极小，表现出优异的稳定性。
△力电超材料的应用演示(A) 由该超材料制成的机械手。(B和C) 人造手指检测下落肥皂泡的过程。(D) 钢球从20 cm高度自由下落。(E) 不同重量钢球撞击手指时手指的压电电压响应。(F和G) 机械手触碰柳絮和栓皮（软木）的照片。(H) 根据人造手指触碰不同物品时产生的电压信号评估的杨氏模量。(I和J) 各类传感器杨氏模量检测范围及最低检测限的对比。(K) 使用人造手指和万能材料试验机测得常温存放条件下牛油果的杨氏模量变化。(L) 不同烹饪阶段鸡蛋的杨氏模量。(M) 冰箱中储存超过10周的软质和硬质奶酪的杨氏模量变化。误差棒表示五次重复实验所得评估数据的标准偏差
研究团队还基于DGL制作了机器人手指与轮式移动机器人等演示装置，验证了该力电超材料在实际场景中的应用潜力：机械手指可实时追踪约20毫克瓢虫的爬行动作，检测约2.5毫克肥皂泡的破裂过程，同时又能承受5千克钢球从20厘米高度跌落造成的冲击；通过建立输出电压与被测物体杨氏模量之间的对应关系，该手指可识别从90 Pa柔软的柳絮到125 kPa的瘦猪肉，再到1.32 GPa坚硬软木等跨度极大的物体模量，并可被用于监测牛油果在常温存放20天过程中的成熟变化（模量从1860 kPa降至174 kPa）、鸡蛋不同烹饪阶段的质地变化（模量从2 kPa升至30 MPa）以及冷藏（4°C）10周以上软硬奶酪的存放变化。此外，搭载梯度晶格的车轮被应用于小型电动车，能够在模拟山地、沼泽、沙漠等复杂地形的沙盘模型中，通过压电信号同时感知地形高度与刚度信息。
未来展望
研究表明，通过在3D打印超材料单元结构中协同设计几何梯度与材料模量梯度，可以有效解耦传统材料中相互制约的力学与传感性能，实现载荷-电信号的可预测单调响应，从根本上突破了压力传感器灵敏度与检测范围难以兼顾的瓶颈。研究团队指出，这种基于微结构几何与材料属性协同设计、并引入功能单元的思路，未来有望进一步拓展至光、热、磁等其他物理场响应的多功能超材料体系，为下一代智能材料与器件的设计提供新的方法学基础。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb3456
来源：南极熊
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