该研究由上海交通大学密西根学院（Global College）和机械系统与振动国家重点实验室的巩守禄（Shoulu Gong）、魏星宇（Xingyu Wei）以及新加坡国立大学（National University of Singapore）的杨翌元（Yiyuan Yang）等多位研究人员共同完成。通讯作者为邵磊（Lei Shao）、张文明（Wenming Zhang）、易志然（Zhiran Yi）和杨翌元（Yiyuan Yang）。该论文于2025年11月3日投稿，2026年7月1日被接收，发表于国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
微型多维力/力矩传感器（multi-axis force/torque sensors）是先进机器人技术和可穿戴设备的关键组件，其能够检测和解析多维动态载荷，使机器人具备灵巧操作能力，亦使可穿戴设备能够提供个性化干预。六维力/力矩传感器（6-axis force/torque sensor）能够提供超越三维力传感器的完整载荷表征，但长期以来，其广泛应用受制于一项固有的结构约束：传统设计通常采用多结构梁结合传感元件阵列的架构（multi-beam architecture），这种配置不可避免地带来过高的结构刚度、复杂的信号布线以及繁重的标定流程，导致传感器在微型化与性能之间长期存在根本性权衡。
近年来，微型化努力主要沿两条路径展开。其一是保留多梁传感结构，但在小尺度下其制造与信号隔离愈发困难；其二则采用柔性传感元件或密集阵列，虽简化了制造工艺，却将去耦负担完全转移至卷积神经网络等计算算法，这类数据驱动方法缺乏可解释性，需要大量训练数据集且泛化能力差。因此，超越多元件组装和黑箱式数据驱动解耦、对传感架构进行根本性重塑，成为实现真正微型化高性能力/力矩传感的必要前提。本研究旨在提出一种基于单一超薄压电陶瓷壳体（monolithic ultrathin piezoceramic shell）的单片式六维力/力矩传感器架构，通过结构自身的力学变形模式实现载荷的内在解耦，从而革命性地解决上述难题。
本研究的工作流程可系统划分为传感原理设计与优化、核心传感元件制造与表征、传感器组装与解耦机制验证、系统性能标定与表征、以及应用场景验证五个主要阶段。
传感原理与结构设计阶段：研究者提出一种由环形压电陶瓷壳体、软质内层和软质盖体组装构成的力/力矩传感结构。当外部载荷作用于盖体时，通过内层传递至锆钛酸铅（PZT）壳体。在外力作用下，PZT壳体不同区域因拉伸或压缩应力产生极性相反的电荷，基于压电效应（direct piezoelectric effect）实现力电转换。有限元分析结果表明，不同类型载荷（三维力和三维力矩，即Fx、Fy、Fz和Mx、My、Mz）在PZT壳体中引发的应力分布模式具有显著差异，这为实现直接解耦提供了物理基础。在此基础上，研究者采用50微米厚的环形PZT壳体作为核心传感元件，在内层加入尖刺状微结构以增强灵敏度，并设计了图案化的外部电极来可视化应力分布并实现载荷解耦。最终形成的单片式传感器设计结构紧凑、质量轻盈（仅3.85克，体积2.53立方厘米），且因采用软硅胶封装替代了传统金属外壳。
超薄PZT壳体制造工艺：研究者开发了一种定制的软加工技术（soft machining technology），采用多段铣削策略将初始工件减薄。软刀具与PZT工件反向旋转进行机械减薄，并使用掺杂碳化硅的凝胶研磨液加速材料去除。整个加工流程包含粗加工、精加工和抛光三个阶段。以20毫米直径、目标厚度55微米的环形PZT壳体为例，从初始1毫米厚度开始，粗加工阶段施加较高铣削力快速去除材料，当厚度低于150微米后过渡到精加工阶段以降低应力集中，当达到约60微米时进入抛光阶段。最终获得的壳体厚度约为57微米。加工后，通过导电银浆印刷工艺重新制备外部电极图案。实验表征表明，减薄后的PZT壳体在谐振频率处的峰值灵敏度显著增强，且50微米厚壳体的最小可检测声压（minimum detectable pressure, MDP）达到9.43微帕斯卡每根号赫兹（μPa/√Hz），证实了其优异的灵敏度潜力。
传感器组装与解耦机制：六维力/力矩传感器主要由50微米厚环形PZT壳体（带图案化外部电极）、软封装层、带盖体和尖刺微结构的软内层以及用于保护和固定的刚性支撑件构成。外部电极被特意设计为六个独立电极（S1至S6），分别沿正X轴（S1-S2）、正Y轴（S3-S4）及负X轴和负Y轴方向布置并共用接地端。当内层通过尖刺结构与壳体键合后，传递的压缩或拉伸应力使壳体产生正负电荷。不同载荷引发的应力分布差异导致六个电极输出的电荷信号组合模式各自独特。例如，施加+Fx载荷时，X轴正向位移压缩S1和S2区域，拉伸其余区域，产生极性相反的电荷。基于这种高几何正交性，研究采用了全局解耦矩阵与多项式补偿相结合的确定性映射方法，以线性矩阵和二次项、交叉项补偿函数实现精确解耦，从而规避了复杂的黑箱算法。
系统性能标定与表征：研究者搭建了集成商用六维力/力矩传感器（ATI Nano 17e）的精密标定平台，采用主导轴向加载策略，在1至40赫兹频段内以随机动态复合载荷进行标定。通过最小化Frobenius范数求解局部解耦矩阵，并进行全局拼接与二次多项式回归补偿。表征结果显示，传感器的灵敏度矩阵在测试带宽内高度稳定，最大变异系数仅为1.78%。解析串扰最大记录为：满量程Mx载荷对Fy轴产生2.38%满量程误差。在120,000次随机动态测试中，力和力矩的解耦精度（decoupling accuracy）分别达到99.377%和99.373%，正确识别载荷类型的最大幅度误差低于2.5%满量程。动态载荷检测限（limit of detection, LoD）为：法向力优于3毫牛、切向力优于4毫牛、力矩优于0.3毫牛·米。研究还验证了传感器在25°C至55°C范围内的温度特性、八周长期稳定性及八件样本的制造可重复性。
动态性能表现：传感器在1至40赫兹宽频带内展现出优异的动态响应稳定性，等效灵敏度变化范围极小。图4c所示的平均交叉轴串扰矩阵表明，各轴间干扰保持在较低水平。12万次随机试验的高解耦精度有力证明了基于环形几何结构的确定性解耦方法的有效性，显著优于传统柔性传感器依赖神经网络的方法。
机器人灵巧操作应用：将传感器集成于机器人夹爪指尖后，系统成功演示了三项任务。其一为自适应夹持任务：通过监测因注水导致的重力诱滑，设定切向力变化阈值，夹爪可检测到初始滑动并自动执行二次夹紧校正。其二为透明玻璃管重心估计任务：由于光学反射扭曲，机器视觉难以识别透明物体重心，夹爪通过在物体两端分次夹持并提升，依据提升瞬间记录的峰值力矩变化比（Mz1/Mz2）反推重心位置，最终成功实现无滑移夹持。其三为模拟电池组装配任务：系统基于六维力/力矩反馈持续调整姿态，在搬运对齐阶段检测瞬态外部冲击和方位偏差以防错位，在插入阶段根据实时力/力矩变化微调轨迹以避免过大冲击力。
智能外骨骼康复监测应用：研究中，两只传感器被集成于外骨骼系统。传感器1安装于内界面，监测穿戴者腿部与外骨骼之间的瞬态界面摩擦力（ΔFx, ΔFy）和压缩力变化（ΔFz），定量反映穿戴舒适度，并用于指导用户优化束带张紧，实现个性化适配。传感器2测量等效关节力矩变化（ΔMz），该指标反映肌肉收缩的瞬态合力，与关节角加速度密切相关，且与股四头肌的肌电图（EMG）峰值信号呈现强正相关。基于健康受试者在日常活动中的峰值关节力矩变化基准，系统对一名穿戴者在阶梯下降任务中的运动状态进行了连续监测，成功解析了慢速下降、快速下降及终端跳跃落地三个阶段的不同信号特征。对关节损伤患者进行的家庭康复评估则建立了峰值关节力矩变化和肌电-力矩时间延迟随康复疗程变化的定量追踪框架。
本研究成功开发了一种基于单一工程化压电陶瓷壳体的单片式六维力/力矩传感器架构，从根本上摒弃了多元件组装和复杂算法融合的需求，为传统力/力矩传感器提供了一种本质简化的替代方案。其核心——采用优化电极图案的50微米厚环形PZT壳体——实现了载荷的高灵敏度检测与内在区分，检测限低且解耦精度超99.37%。
本研究的科学价值在于提出了一种基于几何结构本征变形模式实现多维力内在解耦的新原理，建立了无需依赖数据驱动黑箱模型的确定性传感范式。其应用价值广泛，通过将传感器无缝集成于机器人夹爪和外骨骼系统，成功执行了精密装配和关节运动定量评估等先进任务，表明该架构有望作为可扩展平台，推动新一代高性能微型化力/力矩传感器在协作机器人、智能假肢和个性化医疗等领域的进步。
本研究的首要亮点在于架构创新：将传统多梁结构中由多个独立元件承担的传感功能集成于单一环形壳体，通过结构自身的力学变形模式和精心设计的电极图案实现多维载荷的空间和极性差分，极大降低了系统复杂度与计算负担。其次，在制造技术方面，开发了多段软加工工艺，成功将烧结PZT壳体减薄至50微米厚，并利用了该厚度下环形PZT器件的弹性刚度突变效应（elastic stiffness mutation）来增强电荷响应。再次，在解耦方法上，系统采用了基于全局矩阵和多项式补偿的解析模型，兼具高精度与可解释性。最后，本研究实现了从材料加工、器件设计到完整系统应用的贯通式验证，在机器人灵巧操作和可穿戴康复两大前沿领域均展现了切实的实用性，为学术研究与工程应用之间架设了桥梁。