首爾科技大學(xué)為可穿戴設(shè)備3D打印負(fù)泊松比傳感器，實現(xiàn)高靈敏與高耐用

2025年9月19日，南極熊獲悉，韓國首爾國立科技大學(xué)（SEOULTECH）研究團(tuán)隊成功研發(fā)出基于3D打印負(fù)泊松比超材料的高性能結(jié)構(gòu)引導(dǎo)電容式和電阻式觸覺傳感器。由此制成的應(yīng)變傳感器可用于測量步態(tài)或繪制更普遍的壓力圖。研究人員認(rèn)為，他們的研究成果有望應(yīng)用于假肢、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測等領(lǐng)域。

△相關(guān)研究成果由Mingyu Kang、Hong-Gap Choi、Keun Park和Soonjae Pyo等研究人員合作完成，并發(fā)表在了《advanced》期刊，研究題目為“用于結(jié)構(gòu)引導(dǎo)電容式和電阻式觸覺傳感的增材制造三維拉脹超材料”（傳送門）

3D打印負(fù)泊松比傳感器

3D打印傳感器具有負(fù)泊松比，這意味著它的行為與常規(guī)預(yù)期相反，在被推時實際上會發(fā)生壓縮。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這些膨脹結(jié)構(gòu)比其它形狀更靈敏。研究人員打印出類似井字棋盤的格子結(jié)構(gòu)，并將它設(shè)計成一個組件，使傳感器能夠同時利用電容和電阻兩種特性。在銅膜層之間利用了電容特性；而如果在傳感器表面覆蓋碳納米管，則可以測量電阻變化。

△基于拉脹機(jī)械超材料的觸覺傳感器的總體概念

Kang研究員表示：“我們的技術(shù)利用獨(dú)特的負(fù)泊松比特性，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)計還在三個關(guān)鍵方面進(jìn)一步增強(qiáng)了傳感器的性能：通過局部應(yīng)變集中來提高靈敏度；嵌入密閉結(jié)構(gòu)時實現(xiàn)卓越的性能穩(wěn)定性；以及最大限度地減少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)計最大限度地減少了橫向膨脹，提高了耐磨性，并在集成到智能鞋墊或機(jī)器人夾爪等設(shè)備中時減少了干擾。此外，基于數(shù)字光處理的3D打印技術(shù)可以對傳感器性能進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)編程，從而無需更改基礎(chǔ)材料即可實現(xiàn)基于幾何形狀的定制。”

△基于拉脹機(jī)械超材料觸覺傳感器的電容感應(yīng)性能

實現(xiàn)高靈敏與高耐用兼得

與傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)相比，該傳感器在集成到智能鞋墊、機(jī)器人夾爪等設(shè)備時，表現(xiàn)出更高的耐磨性和抗干擾能力?；贒LP 3D打印的精確結(jié)構(gòu)編程，還可實現(xiàn)傳感器性能的定制，無需更改基礎(chǔ)材料。

△用于步態(tài)監(jiān)測和內(nèi)旋分析的智能鞋墊演示

團(tuán)隊展示了該技術(shù)在步態(tài)監(jiān)測、假肢與可穿戴健康設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。研究人員Pyo表示：“該傳感器平臺可集成到智能鞋墊中，用于步態(tài)監(jiān)測和內(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)的多孔晶格通常會在這種環(huán)境下失效。它的可擴(kuò)展性以及與各種傳感模式的兼容性，非常適合用于壓力測繪表面、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?！?

這項新的研究為智能鞋墊、假肢與矯形器、機(jī)器人末端執(zhí)行器等應(yīng)用提供了低成本、高靈敏度的傳感解決方案。通過結(jié)合3D打印與先進(jìn)材料設(shè)計，未來有望推動個性化鞋底、舒適假肢和多功能機(jī)器人傳感器的廣泛應(yīng)用。