新型力電耦合超材料實現六數量級壓力檢測

在可穿戴設備、醫療監測、人機交互與軟體機器人等領域，柔性壓力傳感器扮演著至關重要的角色。這類傳感器能將機械力轉化為電信號，但其性能長期面臨一個根本性矛盾：高敏感度與寬檢測范圍往往難以兼得。對于傳感材料而言，敏感度與楊氏模量成反比，而檢測范圍則與承載能力正相關。傳統塊體材料中，承載能力與楊氏模量通常呈正相關，而機械超材料通過精確設計單胞幾何結構及其宏觀排列，理論上能夠解耦這些參數，同時實現低模量和高承載能力。然而，僅靠解耦這兩者并不足以滿足傳感器需求。例如，多穩態或折紙結構雖然能通過不同穩定狀態實現低模量高承載，但其形態切換通常依賴外力刺激決定變形路徑，導致檢測載荷存在不確定性。此外，為了滿足單調的載荷-信號關系，機械超材料的設計還必須避免應力-應變曲線中常見的波動、平臺區或不理想拐點等挑戰。

鑒于此，華中科技大學的張耀教授和美國賓夕法尼亞州立大學的王慶教授開發出一種力電耦合超材料，將分子鐵電材料嵌入三維打印的梯度晶格結構中，實現了自供電壓力傳感器。該設計通過梯度晶格實現自適應重構與可控變形模式轉換，不僅協同實現了低模量與高承載能力，還建立了單調的機械載荷-電信號響應關系。通過在超材料中引入模量梯度，進一步增強了低載荷區域的靈敏度，并將檢測范圍擴展至六個數量級。這種雙梯度超材料成功克服了現有傳感器中敏感度與檢測范圍之間的內在制約關系。相關論文以題為“Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing”發表在最新一期《Science》上。

聚合物與復合晶格的制備與表征

研究團隊采用數字光處理技術，以丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯等為前驅體，制備了聚合物晶格。通過調整組分，可使三維打印聚合物的楊氏模量在250kPa至2.3GPa近四個數量級范圍內變化。該聚合物具有優異的電絕緣性，其電阻率約為1.16×10? Ω·m，韋伯擊穿場強達335.58kV·cm?1，遠超所用分子鐵電材料TMCM-CdCl?（TCC）的矯頑場（8.1kV·cm?1）。掃描電子顯微鏡與能譜分析證實，TCC晶體均勻分散在聚合物骨架表面（圖1,A至F）。X射線衍射分析表明，TCC在晶格中晶體結構得以保持。復合晶格中成功誘導出壓電性，而其力學性能幾乎不受影響。

圖 1 | SL、PL 和 HL 的設計

基本晶格結構的設計與性能

研究設計了三種基本晶格：斜支柱晶格（SL，圖1A）、板狀晶格（PL，圖1B）和混合晶格（HL，圖1C）。SL在壓縮載荷下通過斜支柱彎曲變形，具有較低剛度，能在小應力下產生較大應變，因此靈敏度高，但在高應力下會坍塌（圖1,G,H,J）。PL則通過垂直板的拉伸/壓縮變形提供高承載能力，最高可承受42.5kPa應力，但在低應力下靈敏度較低（圖1,H至K）。HL結合了斜支柱與垂直板，能在輕載下以支柱彎曲為主，實現低模量和高電壓輸出；在重載下，支柱坍塌后垂直板成為主要承力部件，提供高承載能力。有限元分析驗證了上述變形模式轉換（圖1G）。所有晶格均沿垂直方向進行電暈極化，確保輸出信號主要來自垂直壓力，橫向串擾極小。

梯度晶格結構超材料的設計與性能

為進一步優化性能，研究人員設計了梯度晶格結構（GLS），由上至下依次由SL、HL和PL層堆疊而成（圖2A）。相鄰晶格之間具有一致的幾何特征與邊界條件，確保了應力-應變響應的無縫過渡?；谟嬎銉灮攲覵L采用最小相對密度（6.53%）以最大化壓電靈敏度，底層PL采用最大相對密度（52.66%）以實現高檢測上限。壓縮測試表明，GLS在應變小于20%時，變形主要發生在頂層SL，其應力-應變曲線與SL重疊（圖2C），在3.5Pa至345Pa應力范圍內，壓電電壓從1.6mV增至91.5mV，靈敏度高達約263mV·kPa?1，最低可檢測3.5Pa的應力（圖2D）。隨著應變增加，變形平滑過渡至HL層，有效屏蔽了SL層的屈曲模式。在高應變區（>50%），SL與HL層逐漸致密化，激活PL層，使GLS能夠承受高達770kPa的應力，并在70%應變下產生3.48V的壓電電壓（圖2F）。因此，GLS整合了SL的低應力區高靈敏度與PL的高承載能力，檢測范圍達3.5Pa至770kPa（圖2G）。

圖 2 | SL、PL、HL 和 GLS 的結構、機械和壓電響應

雙梯度超材料的設計與性能

仿真顯示，復合材料剛度與傳感響應密切相關：提高楊氏模量有利于承載，但會降低壓電電壓輸出。為此，研究進一步在GLS中引入力學梯度，制備了雙梯度晶格（DGL），其頂層SL楊氏模量為300kPa，底層PL楊氏模量漸變至2.3GPa。相比GLS，DGL在2kPa低應力下產生17.5%的應變（GLS為3%），同時在70%應變下可承受3.45MPa的應力（GLS為0.77MPa）（圖3A, C）。DGL實現了1.3Pa的檢測下限和約320mV·kPa?1的高靈敏度，檢測范圍跨越六個數量級，高達3.45MPa，遠超現有壓電傳感器（圖3,B,D,E,H）。在0.4至10kPa（日常活動相關）和10至50kPa（生理壓力相關）壓力范圍內，GLS與DGL均展現出優于現有壓電傳感器的綜合性能（圖3,F,G）。此外，DGL在50%應變下經歷10,000次循環后，應力-應變回線和壓電響應變化極小，表現出優異的穩定性。

圖 3 | GLS 和 DGL 的機械和壓電響應

力電耦合超材料的應用演示

研究團隊利用DGL制造了一只機械手（圖4A）。該人工手指能夠實時跟蹤爬行中的瓢蟲（約20mg）的運動，并檢測下落肥皂泡（約2.5mg）的破裂（圖4,B,C）。其承載能力使其能承受5kg鋼球從20cm高處落下的極端沖擊（圖4,D,E）。通過建立輸出電壓與物體楊氏模量之間的關聯，機械手能夠精確測定從柔軟柳絮（90Pa）到硬質軟木（1.32GPa）的廣泛模量范圍物體的硬度（圖4,F至H），其檢測范圍覆蓋了食品材料中從生雞蛋（約2kPa）到硬糖（1GPa）的完整楊氏模量譜。利用這一能力，機械手成功監測了新鮮牛油果在室溫儲存20天過程中楊氏模量的變化（從1860kPa降至174kPa），以及不同烹飪階段雞蛋的模量變化（從2kPa至30MPa），并監測了冷藏超過10周的硬質與軟質奶酪的模量變化（圖4,K至M）。此外，研究團隊還將梯度晶格集成到小型電動車輛的輪子中，該輪子在不同高度和硬度的障礙物上行駛時會產生特征壓電信號，成功實現了對模擬復雜自然環境（如山道、沼澤、沙漠）的地形圖繪制。

圖 4 | 機電超材料的演示

總結與展望

本研究結合有限元分析與數值模擬，設計了基于十四面體框架的基礎晶格結構與梯度超材料，并通過增材制造實現了計算優化的結構。研究中使用的數字光處理樹脂配方，可使三維打印聚合物的楊氏模量在近四個數量級內調節，并具備高電擊穿強度，從而成功誘導分子鐵電晶體的壓電性能。所開發的梯度超材料不僅解耦了力學上相互依賴的性能，實現了高承載與低模量的結合，還實現了載荷下變形模式的自適應可控轉換，建立了可預測且單調的機械載荷-電信號關系。特別是配備了晶格結構與楊氏模量雙梯度的力電耦合超材料，實現了低檢測限、高靈敏度及跨越六個數量級的檢測范圍，從根本上解決了傳統壓力傳感器中敏感度與檢測范圍之間的折衷難題。研究者指出，通過幾何與結構上設計微結構單胞及三維構型，并結合功能單元的嵌入，該方法有望為開發光、熱、磁-機械等多種響應性超材料提供一條可行的路徑。