中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）的李木军（Mujun Li）教授、张世武（Shiwu Zhang）教授，联合苏州高等研究院（Suzhou Institute for Advanced Research）的潘挺睿（Tingrui Pan）教授等研究人员，于2026年在《Advanced Materials》期刊上发表了一项关于柔性传感器的原创研究。该项研究提出了一种名为“送料-拉伸打印”（Feed-Draw Printing, FDP）的新型制造策略，并依此开发出了一种具有高界面韧性和宽线性传感范围的单片集成柔性电容式传感器。

该研究的学术背景源于可穿戴电子设备和机器人感知领域对柔性传感器日益增长的严苛需求。在实际应用中，如高强度运动监测或机器人抓取，传感器不仅需要具备高灵敏度以精确捕捉微小信号，还必须拥有卓越的机械鲁棒性以承受高频冲击和剪切力。然而，传统的传感器设计常面临灵敏度与机械耐久性之间的折衷难题。引入微结构（如微锥体（microcones））是提升灵敏度的常用方法，但传统模板法工艺复杂且难以在微结构和电极层间形成稳固的化学键。而通过粘合剂或物理互锁来增强界面韧性的策略，又会因材料模量失配导致应力集中，引发界面疲劳失效。因此，如何将可编程的微结构几何、高界面韧性与多材料单片集成统一于一种制造工艺中，是该领域的一项核心挑战。

为解决上述挑战，研究团队受人体皮肤中蛋白质交联赋予其层次结构卓越韧性的启发，设计并执行了系统的研究流程。整个研究主要包含四个阶段：送料-拉伸打印策略的开发与微锥体形貌调控、传感器界面力学性能评估、传感性能系统表征，以及面向实际应用的单片集成器件功能验证。

在第一阶段，研究团队首先开发了多材料送料-拉伸打印工艺，用以直接制造可编程的微锥体形态。他们配制了两种关键的准同质（quasi-homogeneous）墨水：一种是由1 wt.%碳纳米管（CNT）和气相二氧化硅（SiO2）改性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成的介电层墨水，另一种是含6 wt.%碳纳米管的电极层墨水。流变学测试证实了两种墨水均具有良好的剪切稀化特性和足够的屈服应力，确保了打印过程中的顺畅挤出和成型后的形状保持。该打印策略的核心在于将整个微锥成型过程分为送料和拉伸两个协同控制阶段。送料阶段通过程序化位移主要定义微锥高度；拉伸阶段则通过调节拉伸速度主要控制微锥的锥角。通过系统性地调控相对拉伸速度、送料高度，甚至将拉伸阶段进一步细分，团队成功实现了对微锥高度、锥角、腰部形态及倾斜角度的宽范围、可编程控制。该技术摒弃了传统的模板法，使打印出的微锥体能始终保持未固化状态，为后续实现与电极层的原位共固化（in situ co-curing）和共价键合提供了关键前提。

第二阶段聚焦于评估共固化的准同质材料界面的力学性能。研究对比了三种界面结合方式：分别固化后用PDMS粘合、顺序固化和共固化。断裂韧性测试显示，介电材料和电极材料自身的韧性就很高，分别达到1337 J m⁻²和939 J m⁻²。180度剥离实验的结果则更为关键：对于平面界面，共固化将界面韧性从约100 J m⁻²提升了超过一个数量级，达到1600 J m⁻²以上。对于集成了微锥体的传感器界面，共固化样品的界面韧性高达1347 J m⁻²，是分别固化对照组的9.4倍。机理研究表明，共固化策略通过在界面接触时保持低固化度，使得未反应的聚合物链能够跨界面相互扩散，并参与交联反应，形成了连续的共价键网络。这使破坏模式从界面分层转变为内聚破坏。有限元模拟进一步佐证，共固化界面在压力下展现出比使用刚性粘合剂更均匀的应力分布，有效抑制了应力集中。

第三阶段是对所制备的单片微锥电容式传感器（Monolithic Microcone Capacitive Sensor, MMCS）进行系统的传感性能表征。通过独立调控微锥的面密度、倾斜方向和高度梯度，研究建立了结构-性能的构效关系。例如，将微锥密度从2个/mm²降至1个/mm²，初始灵敏度从0.016 kPa⁻¹升至0.027 kPa⁻¹；采用倾斜微锥可将灵敏度进一步提升至0.033 kPa⁻¹；而采用高度梯度设计则实现了多阶段线性响应，在0-10 kPa低压区灵敏度高达0.29 kPa⁻¹，在10-300 kPa中压区为0.07 kPa⁻¹，在300-450 kPa高压区为0.028 kPa⁻¹，实现了宽达450 kPa的线性检测范围。传感器达到了1 Pa的超低检测极限，并能清晰捕捉指尖脉搏。其响应和恢复时间分别约为80毫秒和70毫秒。在长期耐久性测试中，传感器在20 kPa压力下经过200,000次加载-卸载循环后，电容信号仍保持稳定，无明显漂移或退化，展现了优异的抗疲劳特性。

在研究的第四阶段，团队展示了将该单片集成策略应用于实际场景的能力。他们制造了两类器件：一是可穿戴压力监测绑带，二是集成传感的磁控柔性抓手。在可穿戴设备中，研究人员将传感器与14 wt.% SiO₂-PDMS结构层直接共固化，界面韧性高达1884 J m⁻²。在拳击冲击监测、攀爬水平横梯时的动态手掌压力感知、以及不同速度下的足底压力与步态分析等应用测试中，该绑带均表现出色的动态鲁棒性。特别是在连续80分钟的跑步监测中，传感器仍能保持稳定信号输出。在磁控软体抓手应用中，团队将含有钕铁硼（NdFeB）磁性颗粒的驱动层与四个压力传感器及一个弯曲传感器共打印成一体。该器件的传感器-驱动层界面韧性达到1907 J m⁻²。它不仅能够感知抓取物体的重量、尺寸和泄露状态，还能通过融合触觉与弯曲感知信号，可靠地检测物体的滑移，为构建自适应、自调节的软体机器人平台奠定了基础。

本研究的结论具有重要的科学意义与应用价值。科学上，它建立了一种通过“送料-拉伸打印”结合“准同质材料共固化”的通用范式，成功调和了柔性传感器高灵敏度与高机械鲁棒性难以兼得的固有矛盾，并揭示了共价键合界面对提升动态载荷下器件可靠性的关键作用。应用上，它将传感、驱动与结构功能无缝集成于单一打印架构中，极大地简化了复杂柔性系统的制造流程，为下一代高性能可穿戴健康监测、运动分析和智能机器人交互界面提供了切实可行的制造方案。

该研究的亮点可归纳如下：其一，发明了“送料-拉伸打印”这一新技术，实现了对高深宽比微锥体形貌的多维度、模板化编程控制。其二，通过准同质材料设计与界面共固化，创造了高达1547 J m⁻²的传感器级界面韧性，这是现有微锥结构同类传感器报道值的3.97倍。其三，整个系统实现了传感与功能结构的单片集成，为高动态和复杂工况下的稳定运行提供了保障，例如实现了超过20万次的循环稳定性和在磁控软体抓手中的多模态感知集成。