该文档报告了一项单一的原创性研究，属于类型a。

关于多尺度结构微型化三维力传感器的学术研究报告

一、 研究团队与发表信息 本项研究的主要作者包括 Guolin Yun、Zesheng Chen、Zhuo Chen、Jinrui Chen、Binghan Zhou、Mingfei Xiao、Michael Stevens、Manish Chhowalla 以及 Tawfique Hasan。研究团队主要来自英国剑桥大学的剑桥石墨烯中心（Cambridge Graphene Centre），部分作者亦来自中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）的现代力学系和人形机器人研究所。该研究成果以题为“Multiscale-structured miniaturized 3D force sensors”的论文形式，于2026年发表在*Nature Materials*期刊上（在线发表日期为2026年1月20日，文章编号DOI: 10.1038/s41563-026-02508-7）。

二、 学术背景与研究目标 本研究的科学领域属于柔性电子、触觉传感与机器人技术。研究动机源于当前机器人及神经假肢领域对高精度、多维度触觉感知的迫切需求。人类指尖配备了多种机械感受器，能够感知压力、剪切力、振动等多维触觉信息，从而实现灵巧的物体操作和环境交互。然而，现有的柔性触觉传感器在同时实现高灵敏度、法向力与切向力（三维力）解耦、宽线性检测范围以及微型化方面面临巨大挑战。许多现有传感器结构复杂、体积庞大，或难以精确识别切向力的方向，限制了其在微型机械手、微机器人等对空间要求苛刻的场景中的应用。

因此，本研究的目标是开发一种新型的、能够模仿人类指尖高分辨率多维触觉感知能力的微型化三维力传感器阵列。具体而言，研究旨在通过创新的材料设计与多尺度结构工程，实现以下目标：1) 同时高灵敏度地检测法向力与切向力的大小和方向；2) 实现宽线性范围的力检测；3) 将传感器单元的尺寸缩小至微米级别，显著超越现有技术水平；4) 集成滑动检测和表面粗糙度估计功能，为机器人提供更丰富的触觉反馈。

三、 详细研究流程 本研究包含从材料合成、传感器设计、性能表征到系统集成与演示的完整工作流程。

1. 材料制备与表征： 研究首先设计并制备了一种名为“石墨烯协同各向异性多孔导电弹性体”（Graphene-synergized anisotropic porous conductive elastomers, APEs）的复合材料。其制备流程如下：将尖刺状镍（Ni）颗粒、液态金属（LM，成分为共晶镓铟合金，EGaIn）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物按特定质量比（Ni:EGaIn:PDMS = 1.4:0.6:0.6）混合。同时，将少层石墨烯（Few-layer graphene, FLG）纳米片分散在另一部分PDMS中。将两种混合物与作为致孔剂的1,2-丙二醇结合，并在低转速下搅拌混合。随后，将混合物倒入模具，在500 mT的均匀磁场和80°C下固化。磁场使具有磁性的Ni颗粒沿磁场方向排列成链状结构。最后，将固化后的样品在140°C加热3小时，蒸发掉1,2-丙二醇，从而在弹性体内部形成相互连通的微孔结构（孔径约3-8微米）。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对材料的微观结构进行了表征，确认了Ni颗粒链、FLG纳米片、LM液滴以及微孔的分布与形貌。作为对照，研究还制备了不添加致孔剂的各向异性非多孔弹性体（ANPE）以及各向同性的多孔/非多孔复合材料。

2. 材料性能优化与机理分析： 研究团队通过系统改变复合材料中各组分的比例和制备工艺，优化其压力传感性能。压力灵敏度（S）定义为电导率相对变化与施加压力的比值。实验发现，当Ni/FLG/LM/PDMS的质量比为1.⁴⁄₀.04/0.6/1时，材料表现出最优的压力传感性能。表征结果显示，APE材料表现出显著的电学和力学各向异性。沿Ni颗粒链排列方向（定义为0°方向）的初始电导率和弹性模量，分别比垂直方向（90°方向）高出24倍和5.4倍。在20%的压缩应变下，0°方向的电导率飙升了六个数量级，而90°方向的电阻保持稳定，这种对横向变形的不敏感性避免了传感器在拉伸或曲面操作时的信号干扰。 研究通过对比APE与ANPE，揭示了微孔结构对提升压力灵敏度的关键作用。APE沿0°方向的压力灵敏度（0.382 kPa⁻¹）是ANPE的13.6倍。这归因于多孔结构降低了材料的弹性模量，使其在压力下更容易变形，从而增强了导电网络（Ni颗粒、FLG、LM）的接触变化。有限元模拟（使用COMSOL Multiphysics软件）进一步验证了这一机理，模拟结果显示多孔结构在压力下具有更低的弹性模量和电阻率，电流密度模拟直观地展示了FLG和LM在导电网络中的“桥梁”作用。

3. 金字塔形传感器单元设计与制造： 受人类表皮波浪状结构的启发，研究团队将APE材料加工成金字塔形传感器单元（边长分别为4毫米和200微米两种规格）。这种几何结构通过尖端应力集中效应，能在微小压力下产生显著的变形和电阻变化，从而将灵敏度提升了近两个数量级。更重要的是，金字塔结构的不对称应力分布特性，为实现法向力与剪切力的解耦提供了物理基础。 制造工艺上，首先使用3D打印（Ultimaker S5打印机，TPU 95A材料）制作金字塔形模具，用于浇铸APE材料形成传感器主体。然后，使用电子束蒸发器在传感器单元的底部蒸镀四个对称分布的金电极，用于测量压力分布。传感器的顶部也蒸镀金电极作为公共电极，并使用Ecoflex硅橡胶进行封装保护。对于微型化的200微米传感器阵列，则采用各向异性蚀刻有金字塔凹坑阵列的硅片作为模具，并在玻璃晶圆上通过光刻（Microtech LW-405B+激光直写机）和蒸镀工艺制作图案化的底部电极，再将APE微金字塔阵列与玻璃晶圆上的电极对准并键合。

4. 传感器性能测试与三维力解耦： 研究搭建了基于Instron万能试验机和Keithley源测量单元等的测试系统，对传感器单元的性能进行了全面表征。测试内容包括：压力-电导/电势曲线、灵敏度、线性度、响应/恢复时间、长期循环稳定性等。对于4毫米传感器单元，其在0-500 kPa的宽压力范围内表现出高达110 kPa⁻¹的灵敏度，且线性度优异（R² > 0.998）。传感器在1.6 kPa压力下进行了12,000次循环测试，性能保持稳定。 三维力解耦的原理基于金字塔底部四个电极上压力的不对称分布。当倾斜力作用于传感器尖端时，法向力分量导致四个电极上的压力平均变化，而剪切力分量则导致压力呈现梯度分布。通过测量四个电极的电势变化（U1-U4），并建立数学模型（公式3-7），可以精确计算出施加力的大小（|F|）和方向（球坐标中的角度φ和θ）。实验验证表明，计算得到的力大小和方向与设定值偏差很小（力大小偏差<3.1%，角度φ偏差<2.2°，角度θ偏差<5.2°），证明了该解耦模型的有效性和高精度。

5. 滑动检测与粗糙度估计演示： 研究演示了传感器单元检测滑动和估计表面粗糙度的能力。当传感器在粗糙表面开始滑动时，静摩擦力向动摩擦力的转变会导致剪切力突然下降，反映在电极电势的突变上。在持续滑动过程中，粗糙表面引起的摩擦振动会导致电极电势产生波动，波动幅度与表面粗糙度相关。实验将传感器单元在不同粗糙度的材料（如玻璃、塑料、砂纸、织物等）表面滑动，结果显示电压波动幅度与表面粗糙度（用轮廓仪测量）呈正相关（R² = 0.96），证明了其用于表面纹理识别的潜力。

6. 传感器阵列集成与机器人操作演示： 为了展示实际应用能力，研究将四个4毫米传感器单元集成为阵列，并安装在一个机器人夹持器上。传感器阵列被焊接到定制印刷电路板（PCB）上，其输出信号用于机械臂的实时反馈控制。研究进行了两个演示实验：一是抓取轻质纸管，传感器阵列成功检测到仅11 mN的微小接触力以避免纸管变形，并能通过测量的切向力准确估算纸管重量（误差3%）；二是抓取未知尺寸和质量的钢块并将其转移到未知高度的平台上。在此过程中，传感器阵列实时监测三维力，当检测到因摩擦力不足导致的滑动时（表现为剪切力约5%的突降），能立即触发夹持器收紧抓握力。相比之下，配备商用力传感器（检测限180 mN）的机械臂无法检测此类滑动。此外，研究还展示了由200微米传感器单元组成的微传感器阵列。该阵列具有300微米的高空间分辨率和0.9 μN的极低检测限。通过将不同直径的金球和钢球放置在微阵列上，可以检测到接触点处的压力分布，进而推算球的尺寸和质量，展示了其在微操作中识别微小物体的潜力。

四、 主要研究结果 1. 材料层面：成功开发出具有多尺度结构（各向异性Ni颗粒链、FLG桥接网络、LM液滴、微孔）的APE复合材料。该材料沿排列方向展现出极高的压阻灵敏度（0.382 kPa⁻¹）和显著的各向异性，为定向力传感奠定了基础。实验与模拟共同证实，微孔结构和FLG的引入是提升灵敏度的关键。 2. 器件层面：设计并制造了基于APE的金字塔形传感器单元。该结构将材料的非线性电导-应变响应与几何结构的非线性压力-应变响应相结合，意外地产生了高度线性的电导-压力响应，在0-500 kPa范围内实现了110 kPa⁻¹的极高线性灵敏度。金字塔结构天然实现了法向力与剪切力在底部电极压力分布上的解耦。 3. 性能层面：传感器单元实现了高精度的三维力测量，力方向测量偏差小于2°，检测限低至0.9 μN（微传感器单元）。同时，传感器具备检测滑动起始和估计表面粗糙度的附加功能。其响应时间（19.5 ms）和恢复时间（27.2 ms）与人类皮肤相当。 4. 系统集成层面：将传感器阵列集成于机器人夹持器，成功演示了自适应抓取未知物体（检测微小接触力、估算重量、实时检测并纠正滑动、识别放置接触）。微型化传感器阵列（单元边长200 μm）的制备，证明了该技术可应用于对空间分辨率要求极高的微操作和微机器人领域。

各环节结果逻辑连贯：优异的各向异性压阻材料（APE）是构建高性能传感单元的基础；金字塔几何结构将材料特性转化为高线性灵敏度并提供了力解耦的物理机制；基于电极压力分布的数学模型将物理信号转化为精确的三维力矢量；最终，集成的传感器阵列在机器人操作任务中验证了其多维触觉感知能力的实用价值。每一步的结果都为下一环节的设计与验证提供了支撑。

五、 研究结论与价值 本研究成功开发了一种基于石墨烯-液态金属复合多尺度结构的新型微型化三维力传感器。该传感器通过仿生金字塔结构和创新的各向异性多孔复合材料，实现了高灵敏度、宽线性范围、高精度的法向与切向力解耦测量，并能检测滑动和估计表面粗糙度。

其科学价值在于：1) 提出并验证了一种通过材料多尺度结构（各向异性颗粒网络、微孔、液态金属-石墨烯混合导电网络）与器件宏观几何结构（金字塔）协同作用，来同时优化灵敏度、线性度和实现力解耦的新策略。2) 阐明了FLG在多相复合材料中作为导电“桥梁”的关键作用，以及微孔结构通过降低模量来增强灵敏度、同时利用各向异性稳定横向信号的机理。3) 提供了一种通过几何补偿（金字塔形变）来实现传感器输出线性化的新思路。

其应用价值巨大：1) 为下一代机器人，特别是需要灵巧操作的神经假肢、人机交互界面和智能机器人提供了媲美人类指尖的高分辨率、多维触觉感知解决方案。2) 传感器微型化的突破（尺寸和检测限比现有技术先进一个数量级），使其能够集成到微机械手、微机器人等狭小空间中，为微观尺度下的精细操作（如生物医学微操作、微装配）开辟了新可能性。3) 演示的自适应抓取能力，使机器人能够在未知或非结构化环境中更自主、更安全地操作物体。

六、 研究亮点 1. 性能卓越：在500 kPa的宽线性范围内实现了110 kPa⁻¹的极高灵敏度，同时力方向测量精度高（偏差°），检测限极低（0.9 μN），综合性能指标处于领先地位。 2. 结构创新：创造了“多尺度结构化”的设计理念，从纳米/微米尺度的复合材料导电网络，到微米级的孔隙和金字塔宏观结构，各尺度协同优化传感性能。 3. 功能集成：单个传感器单元不仅实现了高精度三维力传感，还集成了滑动检测和表面粗糙度估计功能，提供了更丰富的触觉信息维度。 4. 微型化突破：成功将传感器单元尺寸缩小至200微米，并展示了进一步缩小至50微米的潜力，在空间分辨率上实现了量级提升，满足了微操作领域的迫切需求。 5. 材料设计巧妙：将液态金属（可变形枢纽）与少层石墨烯（柔性桥梁）结合，构建了稳固且高灵敏的混合导电网络，同时利用磁场诱导各向异性和致孔剂创造微孔，材料设计极具巧思。

七、 其他有价值内容 研究还包含了详尽的补充信息（Supplementary Information），提供了材料制备方法细节、更多表征数据（如不同配比性能比较、循环稳定性测试、弯曲测试）、传感器电极设计优化讨论、力解耦数学模型的详细推导、测试平台搭建细节、以及与其他先进传感器的性能对比图。这些内容为其他研究者复现和进一步发展此项工作提供了重要参考。此外，文中提到的基于该发明的英国专利申请（申请号2408695.1）也表明了其技术转化潜力。