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  隨著人口老齡化加劇和健康意識的提升，可穿戴醫(yī)療設備與智能康復器械的需求日益增長。柔性壓力傳感器作為核心部件，被廣泛應用于人體運動監(jiān)測、康復訓練力反饋、人機交互等領域。然而，傳統(tǒng)傳感器面臨諸多挑戰(zhàn)，如檢測范圍有限，靈敏度與承載能力之間存在固有矛盾；制造工藝復雜，成本高昂；長期使用中易出現(xiàn)信號漂移或結構損壞。在康復訓練場景中，現(xiàn)有傳感器難以在高強度、高頻率的負荷下保持穩(wěn)定性能。因此，開發(fā)一種兼具高靈敏度、寬檢測范圍、優(yōu)異機械耐久性和低成本制造工藝的柔性傳感器，成為該領域的研究熱點與技術瓶頸。

  東北林業(yè)大學李健教授團隊與哈爾濱工業(yè)大學趙偉副教授基于負泊松比效應，以TPU/MWCNTs復合材料為耗材，使用激光燒結技術制備了弧形蜂窩柔性壓力敏感元件（AHPSE），以用于人體康復訓練中的力量檢測。該研究利用負泊松比效應，使得AHPSE在縱向壓縮過程中橫向收縮，促進碳納米管導電網(wǎng)絡的形成，在宏觀上建立了負泊松比結構參數(shù)與彈性模量、泊松比之間的理論表達式，為宏觀壓阻性能調(diào)控提供了可量化的設計依據(jù)。實驗結果表明，與傳統(tǒng)的敏感元件結構相比，AHPSE檢測范圍為0.039-2200 kPa、靈敏度為0.028-9.912 kPa^-1、響應/恢復時間約是50 ms和66 ms，耐久性良好（約3735次循環(huán)）。該柔性壓力敏感元件的結構不僅增強了傳感器的承壓性能，還提高了傳感器的檢測范圍，在人機交互、人體生理信號監(jiān)測和智能醫(yī)療診斷等領域具有很大的應用潛力，為制造高性能和低成本的柔性壓力傳感器提供了一個策略。

  相關研究以“Flexible piezoresistive sensing device with integrated design and fabrication for health monitoring”為題，發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》期刊。

研究創(chuàng)新點

  本項研究聚焦于激光燒結TPU/MWCNTs復合材料，結合負泊松比結構，創(chuàng)新點如下：

  1.設計并提出了一種新型壓力敏感元件（AHPSE）。其弧形蜂窩結構顯著改善了結構的承壓性能、應力分布等力學性能。基于該結構，理論推導出幾何參數(shù)與傳感性能的定量關系，為傳感器結構與性能的耦合設計提供了新思路。

  2.僅采用選擇性激光燒結（SLS）成型技術，成功制備柔性NPR結構，大幅簡化柔性傳感器的制備流程與技術要求，為推動柔性傳感器的工程應用提供了技術路徑。

  3.本研究制備的柔性壓力敏感元件具有檢測范圍廣（0.039-2200 kPa）、耐久性高（3,735次循環(huán)）、滯后率�。�7.5%）等性能優(yōu)勢。該傳感器能精確檢測人體各部位（如手腕、膝蓋、步態(tài)及手指）的運動信號，在康復訓練力量監(jiān)測、人機交互及醫(yī)療診斷領域展現(xiàn)出應用潛力。

領先制造工藝：選擇性激光燒結技術（SLS）

  團隊采用選擇性激光燒結（SLS）技術，使用熱塑性聚氨酯（TPU）和多壁碳納米管（MWCNTs）復合粉末材料，實現(xiàn)了傳感元件的一體化成型制造。這種先進制造工藝可實現(xiàn)復雜三維結構的精確制造，保證產(chǎn)品一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

圖1 制備工藝

結構提出：建立結構參數(shù)與壓阻性能之間的關系

  團隊從宏觀結構設計入手，創(chuàng)新性地采用弧形蜂窩負泊松比結構（AH 結構），有效規(guī)避了傳統(tǒng)直桿型結構在彎曲變形能力差和應力分布不均方面的不足。通過理論建模，建立了關鍵結構參數(shù)（θ，d，l，b）與彈性模量（E）、泊松比（υ）之間的解析表達式，揭示了宏觀結構與力學性能之間的定量關聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn)，AHPSE的壓阻性能與結構參數(shù)存在定量關系，通過減小θ、d和l，同時增大b，可顯著提升其壓阻響應性能。這一發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)壓阻性能的定向優(yōu)化提供了明確的結構設計準則，為開發(fā)高性能柔性傳感材料奠定了理論基礎。

圖2 弧形蜂窩結構的靜態(tài)力學參數(shù)與角度θ的關系

圖3 參數(shù)對壓阻性能的影響

負泊松比效應：促進壓阻性能

  通過掃描電鏡觀察和宏觀理論分析，團隊揭示了AHPSE傳感器優(yōu)異性能背后的微觀機制：MWCNTs作為導電填料分散在TPU基體中，TPU的軟段提供柔性，硬段增強力學強度。激光燒結過程中，TPU熔化促使MWCNTs重新分布并形成連續(xù)導電通路。當碳管間距小于隧穿效應有效距離時，形成有效電阻，構成導電網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡的等效電阻由有效MWCNTs段電阻與節(jié)點電阻共同決定。在受壓過程中，不同于傳統(tǒng)正泊松比結構，具有負泊松比特性的AHPSE發(fā)生橫向收縮，孔隙減少，MWCNTs向結構中心聚集并形成新的點接觸和面接觸，間距進入隧穿有效范圍，電導率顯著上升，宏觀表現(xiàn)為高靈敏度。當壓縮率達到40%時，結構進入致密化階段，MWCNTs形成密集滲流網(wǎng)絡，導電機制由隧穿傳導轉為歐姆傳導，靈敏度下降。負泊松比效應有效避免了傳統(tǒng)結構因橫向膨脹導致的碳管分離和通路斷裂問題，為寬范圍穩(wěn)定傳感提供了結構支持。

圖4 TPU/MWCNTs壓阻敏感元件的工作原理示意圖

圖5 TPU/MWCNTs負泊松比壓阻敏感元件的微觀圖

AHPSE性能的檢測與應用

  經(jīng)過結構優(yōu)化（θ=45°, d=0.6, b=4.5, l=7.0）和大量實驗驗證，AHPSE展現(xiàn)出良好的綜合性能：AHPSE在不同壓力區(qū)間表現(xiàn)出相適應的靈敏度（超低壓區(qū)間為9.912 kPa^-1，低壓區(qū)間為3.855 kPa^-1，中壓區(qū)間為0.175 kPa^-1，高壓區(qū)間為0.029 kPa^-1），檢測范圍為0.039-2200 kPa，遲滯率控制在7.5%，響應時間為50 ms，恢復時間66 ms，具有卓越耐久性。

圖6 經(jīng)結構優(yōu)化后AHPSE的壓阻性能

圖7 不同壓力（30、200和550 kPa）下的循環(huán)試驗

圖8 厚度不同的AH結構的變形行為

應用實踐：從實驗室到實際場景

  團隊將AHPSE應用于多種康復訓練場景，取得了顯著的效果：可精確識別不同角度的手腕彎曲，實時反饋訓練強度和幅度，為康復進度的評估提供量化數(shù)據(jù)；可以進行膝關節(jié)康復訓練，監(jiān)測屈伸運動的全過程，識別不同運動階段的特征信號，為康復方案的調(diào)整提供依據(jù)；能夠分析步態(tài)，監(jiān)測步行姿態(tài)；同時可進行手勢識別與人機交互。

圖9 AHPSE的應用

總結

  該團隊提出的基于激光燒結技術的負泊松比壓力敏感元件，巧妙的結合了結構設計和先進的制造工藝，打破傳統(tǒng)技術的局限，實現(xiàn)了高性能與低成本的統(tǒng)一。在結構方面，理論建模與仿真分析結合，引入弧形桿避免應力的局部集中；在制備工藝上，使用激光燒結技術，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)使結構具有孔隙率的同時又簡化制備工藝，在多個領域展現(xiàn)出廣泛應用潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168600

第一作者簡介

  趙文，東北林業(yè)大學機電工程學院，副教授，碩士生導師。主要圍繞增材制造技術、機電一體化技術與非標智能生產(chǎn)線開展研究。在國內(nèi)外相關學術領域累計發(fā)表論文二十余篇，參與出版專業(yè)教科書兩本，授權俄羅斯國家發(fā)明專利7項，實用新型專利1項。

通訊作者簡介

  李健，東北林業(yè)大學機電工程學院，教授，博士生導師，副院長，機械專業(yè)學位碩士負責人。中國林學會高級會員，黑龍江省機械工程學會增材制造專委會秘書長，東北林業(yè)大學3D打印材料與技術研究中心主任。主要從事林果采摘裝備、仿生機器人、增材制造技術等方向的教學與研究工作。先后主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目2項、中國博士后特別資助項目、黑龍江省自然科學基金優(yōu)青項目、中央引導地方項目、黑龍江省重點研發(fā)項目等10余項科研課題。曾獲省部級科技獎勵3項，發(fā)表論文50余篇，授權專利30項，出版教材、專著4部。現(xiàn)兼任黑龍江省機械工程學會增材制造專委會秘書長，《林業(yè)科學》、《森林工程》等期刊青年編委等。