作者

郭彬彬，林诚育，叶海涛，薛羽，莫洁雯，陈嘉伟，崔仰峰，付成龙*，白家鸣*，葛锜*，杨会颖*

机构

南方科技大学，新加坡科技设计大学

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. 7 055507. 

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

撰稿 | 文章作者

文章导读

有机水凝胶应变传感器因柔软贴肤备受关注，但结构设计不当常导致灵敏度与稳定性不足。近期，南方科技大学付成龙教授、白家鸣副教授、葛锜教授、新加坡科技设计大学杨会颖教授课题组联合开发了一种3D打印有机水凝胶应变传感器，通过设计不同泊松比结构，实现高灵敏度与高稳定性的突破。方格结构传感器在离子和电子模式下分别达到4.5和1.5 × 10⁶的灵敏度，为柔性可穿戴设备在健康监测和人机交互领域提供了全新方案，并在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“3D printed organohydrogel-based strain sensors with enhanced sensitivity and stability via structural design”的文章。

图文解析

本研究的创新之处在于通过结构设计引入正、近零和负泊松比的有机水凝胶结构，结合3D打印技术，实现了应变去集中化，显著提升了传感器的灵敏度与稳定性。进一步通过3D定制设计，使传感器具备良好的穿戴性与透气性（如图1所示）。

图1 可穿戴和透气的三维有机水凝胶应变传感器设计思路。

本研究设计并制造了具有正、近零和负泊松比的块状、菱形、方格和花生形水凝胶结构，揭示了结构与力学性能的关系。其中，方格结构因接近零泊松比，在拉伸过程中角度几乎不变，实现了更均匀的应变分布和更高的弹性恢复能力（如图2所示）。此外，方格结构水凝胶表现出最高的灵敏度。通过对拉伸前后边缘和节点处电流密度变化的分析，方格结构因边缘扩张变形机制，导致动量转移碰撞频率高，传感灵敏度高（如图3所示）。进一步减少方格单元数量，降低线与节点间的应变差异，从而提升传感器稳定性。所制备的离子与电子导电水凝胶仍表现出优异的稳定性，灵敏度分别达到4.5（0–200%应变）和13.5/1.5×10⁶（0–2%/2%–100%应变），远超文献报道水平（如图4所示）。最后，本文成功打印出三维方格结构传感器，可直接穿戴在手指，兼具透气性、稳定性、生物相容性等优势。最终传感器集成于人机交互系统中，实现了最小监测角度达5°的精确控制，展现出卓越的操作稳定性（如图5和视频1、 2所示）。

图2  有机水凝胶的制备及结构对力学性能的影响机制。

图3  有机水凝胶结构对传感性能的影响机制。

图4  有机水凝胶的结构优化及其力学与传感性能。

图5  三维有机水凝胶传感器在人机交互中的应用。

视频1.mp4

视频2.mp4

总结与展望

本研究基于DLP 3D打印技术，构建了正、近零与负泊松比的菱形、方格和花生形有机水凝胶结构，系统揭示了结构对力学与传感性能的影响机制。结果表明，方格结构在拉伸时因边缘角度扩张效应显著增强电阻变化，提升了传感灵敏度。通过结构优化，有效降低线区与节点间的应变差异，实现应变去集中化，提升了传感稳定性。进一步制备的3D定制化方格结构传感器兼具良好的可穿戴性与透气性，并成功应用于人机交互系统，实现对瘫痪患者抓握动作的实时精准监测，展示了其在柔性可穿戴电子与人机交互领域的广阔前景。

作者简介

付成龙

南方科技大学

付成龙，南方科技大学机械与能源工程系教授，博士生导师，系主任，深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室主任，长期从事人体增强与康复机器人研究。主持国自然联合基金重点、教育部联合基金创新团队等国家级科研项目10项，发表论文150余篇（近5年IEEE/ASME期刊论文45篇），获IEEE会议优秀论文奖5次，授权发明专利40件（获第二十三届中国专利优秀奖）。任国际期刊IEEE Trans. on Automation Science and Engineering和Robotica编委、中国指挥与控制学会虚拟现实与人机交互专委会副主任委员、北京人形机器人创新中心专家委员会委员。获2022深圳市科技进步一等奖（排名1）、2023中国自动化学会科技进步一等奖（排名1）。获清华大学青年教师教学优秀奖（2009）、清华大学第十四届良师益友（2014）、南方科技大学致诚书院“优秀书院导师奖”（2020）、南方科技大学“优秀书院导师奖”（2021）。

白家鸣

南方科技大学

白家鸣，南方科技大学机械与能源工程系副教授，博士生导师，入选斯坦福“全球2%TOP科学家”，深圳市海外高层次人才，南山“领航人才”。长期从事陶瓷材料、复合材料的增材制造理论及工艺、增材设计及优化等研究工作，致力于提升增材制造的效率及性能，并开拓其在能源、生物医疗、航空航天等领域的应用。近年来，以第一/通讯作者在包括Addit. Manuf., Adv. Sci., Energy Stor. Mater., J. Eur. Ceram. Soc.等高水平国际期刊发表3D打印领域研究论文30余篇，H-Index 42。主持包括国家自然科学基金、广东省科技厅等多项3D打印科研项目。

葛锜

南方科技大学

葛锜，南方科技大学机械与能源工程系长聘教授，博士生导师，副系主任，深圳市高机能增材制造重点实验室主任。担任International Journal of Extreme Manufacturing, Microsystems & Nanoengineering等高水平期刊编委。曾在美国麻省理工学院从事博士后研究，在新加坡科技设计大学担任助理教授。自2019年6月全职回国后，先后主持国家自然科学基金面上、科技部国家重点研发计划课题等项目。主要研究领域包括智能材料与结构、4D打印、软体机器人、柔性电子等。葛锜博士总共发期刊表论文100余篇，其中包括以第一作者或者通讯作者身份发表Science Advances， Nature Communications， Advanced Materials等高水平论文。Google Scholar引用12000余次，H-index 52，入选Elsevier中国高被引学者、斯坦福大学全球前2%顶尖科学家。

杨会颖

新加坡科技设计大学

杨会颖，新加坡科技设计大学教授、博士生导师。2010年加入新加坡科技设计大学任教，于 2011年在麻省理工学院机械工程系工作一年，并于 2016年升任终身副教授，2022年升任终身教授。现任东盟工程院院士Fellow of ASEAN Academy of Engineering and Technology (FAAET)，英国皇家化学学会会士(Fellow of royal society of chemistry (FRSC))，新加坡工程师学会会士(Fellow of Institution of Engineering Singapore(FIES))，美国材料学会,美国工程学会，新加坡物理学会，新加坡化学学会及材料学会会员。她荣获多项国际科技奖项，其中包括2013年获新加坡杰出青年工程成就奖、2013年获陈嘉庚青年发明家奖、2014年获美国工程学会杰出青年奖及 2018年获新加坡物理学会纳米科技奖，2023 年新加坡杰出女化学家奖等。主持多个国际及新加坡国家重大项目研究课题工作。迄今为止，在Nat. Commun., Matter, Adv. Mater, Energy Environ. Sci, Chem 等期刊上发表 SCI论文 400 余篇，她引超过25500 次，H指数 99。