受皮肤感知器官启发的新型3D打印自修复，非触觉与触觉多功能柔性传感器

来源：摩方高精密

随着智能可穿戴设备和人机交互技术的快速发展，柔性传感器展现出了巨大的发展前景。目前开发的单一功能柔性传感器已无法满足复杂环境下的应用需求，例如智能假肢领域需要传感器具备高灵敏度、多模态感知能力和良好的耐久性。因此，急需开发一种能够实现多信号检测和耐用性强的多功能柔性传感器，以提升其在复杂环境中的适应性、交互性和可靠性。

与传统技术相比，3D打印技术具有制造从微米到厘米尺度的复杂几何结构的优势。然而，使用3D打印技术制备的柔性传感器在实际使用中容易受到拉伸，弯折等机械损伤，从而导致传感器失效。研究表明，通过使用本征自愈合的材料赋予传感器本身自修复的能力，可以有效提高传感器的使用寿命和耐用性，并降低使用成本。尽管关于3D打印的自修复传感器的研究已经取得了巨大进展，但他们大都注重于开发能够实现多功能传感的材料，以及提高自愈合材料的机械性能，而对于集成多种传感功能的传感器器件并未进一步研究。

近日，广西大学龙雨教授团队开发了一种新型的3D打印多功能柔性传感器，实现了微小压力感应、动态接近感知和内在自我修复等多种功能集成。该传感器利用多级仿生结构的介电层设计和双电层效应（EDL）的结合，实现了2.449 kPa-1（＜0.5 kPa）的高灵敏度，58 ms的快速响应时间，0.5 Pa的最低检测限，以及0.1%的超高压力分辨率。并且传感器在完全受损后，依靠自身的自修复能力仍能恢复原始灵敏度的95%。另一方面，借助边缘电场效应和互电容响应，该传感器实现了对7种不同材料的区分与接近距离感知，最远检测距离可达11cm。该研究展示了多功能传感器在健康监测和智能穿戴等领域的应用潜力，为未来多功能集成的机器人触觉感知的发展提供了新的选择。

相关研究成果以“A Novel 3D-Printed Self-Healing, Touchless, and Tactile Multifunctional Flexible Sensor Inspired by Cutaneous Sensory Organs”为题发表在最新一期《Composites Communications》上。广西大学硕士研究生马光猛为第一作者，广西大学龙雨教授为通讯作者。该工作得到了广西壮族自治区重点研发计划、国家重点研发计划和广西壮族自治区自然科学基金的大力支持。

传感器结构设计与制备策略，如图1所示。人体皮肤作为人体最大的感觉器官，不仅具有出色的自愈合能力（图1a-i），而且真皮层下的大量神经末梢，能够帮助人体感知痛觉、触觉、压力等刺激（图1a-ii）。受此启发设计了一种具有表面凸起的两级间歇结构（图1a-iii），与传统的微柱、半球、金字塔等均质结构不同，这种分级结构的设计，通过让第二级结构分担部分压力，使得整体的结构变形不会迅速饱和，并且保护一级结构在高压下免受损坏。传感器的自愈合性能通过使用具有本征自修复特性的材料实现，其整体采用经典的三明治形式封装（图1a-iv）。

仿生间歇结构介电层的制备是利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术(microArch® S230，精度：2 μm)而成，过程如图1b所示。首先，将自制的具有本征自愈合特性的前驱体溶液注入打印机的树脂槽中。随后，根据数字模型切片生成的图像，紫外光源通过数字微镜器件（DMD）进行调制选择性地将405 nm图案化紫外光投射到打印平台上（图1b-i）。光引发剂TPO吸收紫外光并产生自由基，诱导前驱体溶液在光照区域内发生聚合反应并固化成特定图案。microArch® S230 3D打印系统采用自上而下的打印方式，每固化完成一层，打印平台再次下降特定高度，实现逐层固化，直至打印完所有模型切片的图像得到完整的间歇结构。

图1 器件结构设计与制备策略。

电容式传感器在受压过程中结构刚度的增加会提高其抗压强度，从而提高压力的测量范围。但是，一定程度上也牺牲了传感器的可压缩性，从根本上影响了高灵敏度和线性度的实现。同时为赋予传感器与生俱来的自愈合能力，该团队通过将氯化锂溶于PEG400中制备离子液体，甲基丙烯酸羟乙酯HEMA和丙烯酰胺Aam选做聚合物链单体，基于氢键、离子配位以及聚合物链和PEG链之间的纠缠形成交联网络，制备得到具有优异的自修复能力（90.53%）和可调机械性能的离子凝胶材料PHAE。

图2 PHAE的机械性能表征。

PHAE因含有大量动态氢键而具有本征自愈合的特性，加之聚合物链的迁移性、聚合物链与PEG之间的相互作用、离子与聚合物链的配位作用，使得PHAE显示出优异的自愈能力。Aam还作为增强剂，随着其含量的增加，PHAE的自愈合效率逐渐降低（图3e），这是由于交联密度的增加限制了链的迁移，同时Cl-离子与-NH2的强氢键含量增加，使得动态氢键的整体占比减少，从而削弱了PHAE的自愈合能力。最后，基于拉伸性能、韧性、弹性模量、电导率和自修复特性的综合考虑，选择了PHAE-1.5用于后续实验。

图3 PHAE的自愈合性能表征。

该传感器在触觉模式下的感知特性描述如下。与典型的平行板电容传感不同，离子电容传感主要依赖于离子-电子电容界面，称为双电层（EDL）。EDL的出现使电极中的电子与离子凝胶中带相反电荷的离子在纳米距离上相互吸引并聚集，表现为具有超高电容的微/纳米级电容器。因此，传感器即使在受到微小压力作用时，EDL界面处的电容会立即发生显著变化，从而极大提高灵敏度。另一方面，得益于多级仿生微结构介电层的设计，当继续施加压力时一级结构与二级结构依次发生变形，从而增加了离子-电子对的接触面积，保证了电容变化的线性程度。同时，接触位置的电场强度增加，离子凝胶中的大量离子被电离，并在电场力的作用下迅速聚集在接触界面上，EDL效应再次得到加强。在这共同作用下，使得该传感器最低能够检测出0.5 Pa的压力，表现出58 ms的快速响应时间和0.1%的超高压力分辨率。

图4 多功能传感器的压力传感模式。

传感器的接近感应机制源于平行板电容器的边缘电场的扰动（即边缘效应）和互电容效应的耦合。这种模式涉及两种类型的电容：传感器的内部电容、外部电容（在手掌和顶部电极之间，人体接地）。由于接近传感器的手掌充当接地电极，传感器的外部电场线通过人体完成接地分流，从而降低了电容器内部相关的电场强度并减少了电容器中存储的电荷量。随着手掌和顶部电极之间的距离减小，电荷从两个电极流出，从而导致传感器外部电容的增加和内部电容的减少。值得注意的是，不同材料由于介电系数的不同，对电荷的存储能力也不同，因此不同材料对边缘电场的扰动能力也不同。基于上述原理，传感器在接近传感模式下实现了7种不同材料的感知与区分，最大检测距离11 cm，最大灵敏度为0.1137 cm-1。

图5 传感器的接近模式。

总之，该传感器具有优异的压力和接近检测能力，能够适应多种应用场景，如检测微小气流的变化（图6a），能够实时监测肘部关节的活动的可穿戴领域的应用（图6b）。图6c所示，将一个篮球在同一高度用不同速度接近传感器并返回的监测过程（图6c）。为了演示该传感器在智能手套/假肢和电子皮肤的应用潜力，将传感器简单集成到实验室丁腈手套上，导线与LCR电桥仪和个人电脑相连，并用手套对不同物体进行靠近、抓取、放下、远离的四个动作，可以检测出接近物体的距离和受力大小，证明了传感器在智能穿戴和人机交互设备中的应用潜力。

图6 传感器的应用演示。

总结：该研究通过将自愈合材料与3D打印多级结构介电层相结合，同时借助EDL效应与边缘效应，成功地实现了可自修复多功能传感器的定制化和高精度制造。多级结构介电层的设计，不仅增加了传感器的可压缩性，也保护了介电层在高压下免受破坏。在压力传感模式下，传感器表现出一系列出色的传感性能和良好的耐用性。即使传感器被完全切断，也能最高恢复原始灵敏度的95%（30-200 kPa）。接近传感模式下，该传感器实现了对7种不同材料接近的检测，最远实现11 cm的检测距离。最后该研究利用传感器的多功能传感特性，再一次证明了该传感器在智能假肢，智能可穿戴等领域的应用潜力。未来，该研究团队还将致力于将触觉传感信息与机器学习相结合，实现对不同材料种类和表面形状类型的准确感知，应用到具身智能领域（比如仿生、类人机器人）中。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2025.102287