關注我們 金色開放獲取

01

作者

郭彬彬，林誠育，葉海濤，薛羽，莫潔雯，陳嘉偉，崔仰峰，付成龍，白家鳴，葛锜，楊會穎

02

機構

南方科技大學，新加坡科技設計大學

03

Citation

Guo B B et al. 2025. 3D printed organohydrogel-based strain sensors with enhanced sensitivity and stability via structural design. Int. J. Extrem. Manuf.7055507.

掃碼獲取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/add971

撰稿 | 文章作者

文章導讀

有機水凝膠應變傳感器因柔軟貼膚備受關注，但結構設計不當常導致靈敏度與穩定性不足。近期，南方科技大學付成龍教授、白家鳴副教授、葛锜教授、新加坡科技設計大學楊會穎教授課題組聯合開發了一種3D打印有機水凝膠應變傳感器，通過設計不同泊松比結構，實現高靈敏度與高穩定性的突破。方格結構傳感器在離子和電子模式下分別達到4.5和1.5 × 10?的靈敏度，為柔性可穿戴設備在健康監測和人機交互領域提供了全新方案，并在SCI期刊《極端制造（英文）》期刊上發表了題為“3D printed organohydrogel-based strain sensors with enhanced sensitivity and stability via structural design”的文章。

圖文解析

本研究的創新之處在于通過結構設計引入正、近零和負泊松比的有機水凝膠結構，結合3D打印技術，實現了應變去集中化，顯著提升了傳感器的靈敏度與穩定性。進一步通過3D定制設計，使傳感器具備良好的穿戴性與透氣性（如圖1所示）。

圖1可穿戴和透氣的三維有機水凝膠應變傳感器設計思路。

本研究設計并制造了具有正、近零和負泊松比的塊狀、菱形、方格和花生形水凝膠結構，揭示了結構與力學性能的關系。其中，方格結構因接近零泊松比，在拉伸過程中角度幾乎不變，實現了更均勻的應變分布和更高的彈性恢復能力（如圖2所示）。此外，方格結構水凝膠表現出最高的靈敏度。通過對拉伸前后邊緣和節點處電流密度變化的分析，方格結構因邊緣擴張變形機制，導致動量轉移碰撞頻率高，傳感靈敏度高（如圖3所示）。進一步減少方格單元數量，降低線與節點間的應變差異，從而提升傳感器穩定性。所制備的離子與電子導電水凝膠仍表現出優異的穩定性，靈敏度分別達到4.5（0–200%應變）和13.5/1.5×10?（0–2%/2%–100%應變），遠超文獻報道水平（如圖4所示）。最后，本文成功打印出三維方格結構傳感器，可直接穿戴在手指，兼具透氣性、穩定性、生物相容性等優勢。最終傳感器集成于人機交互系統中，實現了最小監測角度達5°的精確控制，展現出卓越的操作穩定性（如圖5和視頻1、 2所示）。

圖2有機水凝膠的制備及結構對力學性能的影響機制。

圖3有機水凝膠結構對傳感性能的影響機制。

圖4有機水凝膠的結構優化及其力學與傳感性能。

圖5三維有機水凝膠傳感器在人機交互中的應用。

視頻1

視頻2

總結與展望

本研究基于DLP 3D打印技術，構建了正、近零與負泊松比的菱形、方格和花生形有機水凝膠結構，系統揭示了結構對力學與傳感性能的影響機制。結果表明，方格結構在拉伸時因邊緣角度擴張效應顯著增強電阻變化，提升了傳感靈敏度。通過結構優化，有效降低線區與節點間的應變差異，實現應變去集中化，提升了傳感穩定性。進一步制備的3D定制化方格結構傳感器兼具良好的可穿戴性與透氣性，并成功應用于人機交互系統，實現對癱瘓患者抓握動作的實時精準監測，展示了其在柔性可穿戴電子與人機交互領域的廣闊前景。

作者簡介

付成龍

南方科技大學

付成龍，南方科技大學機械與能源工程系教授，博士生導師，系主任，深圳市仿生機器人與智能系統重點實驗室主任，長期從事人體增強與康復機器人研究。主持國自然聯合基金重點、教育部聯合基金創新團隊等國家級科研項目10項，發表論文150余篇（近5年IEEE/ASME期刊論文45篇），獲IEEE會議優秀論文獎5次，授權發明專利40件（獲第二十三屆中國專利優秀獎）。任國際期刊IEEE Trans. on Automation Science and Engineering和Robotica編委、中國指揮與控制學會虛擬現實與人機交互專委會副主任委員、北京人形機器人創新中心專家委員會委員。獲2022深圳市科技進步一等獎（排名1）、2023中國自動化學會科技進步一等獎（排名1）。獲清華大學青年教師教學優秀獎（2009）、清華大學第十四屆良師益友（2014）、南方科技大學致誠書院“優秀書院導師獎”（2020）、南方科技大學“優秀書院導師獎”（2021）。

白家鳴

南方科技大學

白家鳴，南方科技大學機械與能源工程系副教授，博士生導師，入選斯坦福“全球2%TOP科學家”，深圳市海外高層次人才，南山“領航人才”。長期從事陶瓷材料、復合材料的增材制造理論及工藝、增材設計及優化等研究工作，致力于提升增材制造的效率及性能，并開拓其在能源、生物醫療、航空航天等領域的應用。近年來，以第一/通訊作者在包括Addit. Manuf., Adv. Sci., Energy Stor. Mater., J. Eur. Ceram. Soc.等高水平國際期刊發表3D打印領域研究論文30余篇，H-Index 42。主持包括國家自然科學基金、廣東省科技廳等多項3D打印科研項目。

葛锜

南方科技大學

葛锜，南方科技大學機械與能源工程系長聘教授，博士生導師，副系主任，深圳市高機能增材制造重點實驗室主任。擔任International Journal of Extreme Manufacturing, Microsystems & Nanoengineering等高水平期刊編委。曾在美國麻省理工學院從事博士后研究，在新加坡科技設計大學擔任助理教授。自2019年6月全職回國后，先后主持國家自然科學基金面上、科技部國家重點研發計劃課題等項目。主要研究領域包括智能材料與結構、4D打印、軟體機器人、柔性電子等。葛锜博士總共發期刊表論文100余篇，其中包括以第一作者或者通訊作者身份發表Science Advances， Nature Communications， Advanced Materials等高水平論文。Google Scholar引用12000余次，H-index 52，入選Elsevier中國高被引學者、斯坦福大學全球前2%頂尖科學家。

楊會穎

新加坡科技設計大學

楊會穎，新加坡科技設計大學教授、博士生導師。2010年加入新加坡科技設計大學任教，于 2011年在麻省理工學院機械工程系工作一年，并于 2016年升任終身副教授，2022年升任終身教授。現任東盟工程院院士Fellow of ASEAN Academy of Engineering and Technology (FAAET)，英國皇家化學學會會士(Fellow of royal society of chemistry (FRSC))，新加坡工程師學會會士(Fellow of Institution of Engineering Singapore(FIES))，美國材料學會,美國工程學會，新加坡物理學會，新加坡化學學會及材料學會會員。她榮獲多項國際科技獎項，其中包括2013年獲新加坡杰出青年工程成就獎、2013年獲陳嘉庚青年發明家獎、2014年獲美國工程學會杰出青年獎及 2018年獲新加坡物理學會納米科技獎，2023 年新加坡杰出女化學家獎等。主持多個國際及新加坡國家重大項目研究課題工作。迄今為止，在Nat. Commun., Matter, Adv. Mater, Energy Environ. Sci, Chem 等期刊上發表 SCI論文 400 余篇，她引超過25500 次，H指數 99。

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子21.3，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

? 金色開放獲取

? 提供綠色通道快速評審原創突破性成果

? 接收后24h內在線

? 免費全球化宣傳推廣

? 免費高質量圖片編輯與規范化文獻校對

專題征稿

動態封面

左右滑動查看動態封面圖集

微信號丨IJEM-Editor

掃碼加小編微信

邀您進極端制造群

撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷

本文旨在傳遞、分享最新科研信息。如涉及作品版權問題，請及時聯系我們，我們會及時處理以保障您的權益。感謝一直關注和支持本公眾號的朋友們！