随着人口老龄化加剧和健康意识的提升，可穿戴医疗设备与智能康复器械的需求日益增长。柔性压力传感器作为核心部件，被广泛应用于人体运动监测、康复训练力反馈、人机交互等领域。然而，传统传感器面临诸多挑战，如检测范围有限，灵敏度与承载能力之间存在固有矛盾；制造工艺复杂，成本高昂；长期使用中易出现信号漂移或结构损坏。在康复训练场景中，现有传感器难以在高强度、高频率的负荷下保持稳定性能。因此，开发一种兼具高灵敏度、宽检测范围、优异机械耐久性和低成本制造工艺的柔性传感器，成为该领域的研究热点与技术瓶颈。

  东北林业大学李健教授团队与哈尔滨工业大学赵伟副教授基于负泊松比效应，以TPU/MWCNTs复合材料为耗材，使用激光烧结技术制备了弧形蜂窝柔性压力敏感元件（AHPSE），以用于人体康复训练中的力量检测。该研究利用负泊松比效应，使得AHPSE在纵向压缩过程中横向收缩，促进碳纳米管导电网络的形成，在宏观上建立了负泊松比结构参数与弹性模量、泊松比之间的理论表达式，为宏观压阻性能调控提供了可量化的设计依据。实验结果表明，与传统的敏感元件结构相比，AHPSE检测范围为0.039-2200 kPa、灵敏度为0.028-9.912 kPa^-1、响应/恢复时间约是50 ms和66 ms，耐久性良好（约3735次循环）。该柔性压力敏感元件的结构不仅增强了传感器的承压性能，还提高了传感器的检测范围，在人机交互、人体生理信号监测和智能医疗诊断等领域具有很大的应用潜力，为制造高性能和低成本的柔性压力传感器提供了一个策略。

  相关研究以“Flexible piezoresistive sensing device with integrated design and fabrication for health monitoring”为题，发表于《Chemical Engineering Journal》期刊。

研究创新点

  本项研究聚焦于激光烧结TPU/MWCNTs复合材料，结合负泊松比结构，创新点如下：

  1.设计并提出了一种新型压力敏感元件（AHPSE）。其弧形蜂窝结构显著改善了结构的承压性能、应力分布等力学性能。基于该结构，理论推导出几何参数与传感性能的定量关系，为传感器结构与性能的耦合设计提供了新思路。

  2.仅采用选择性激光烧结（SLS）成型技术，成功制备柔性NPR结构，大幅简化柔性传感器的制备流程与技术要求，为推动柔性传感器的工程应用提供了技术路径。

  3.本研究制备的柔性压力敏感元件具有检测范围广（0.039-2200 kPa）、耐久性高（3,735次循环）、滞后率小（7.5%）等性能优势。该传感器能精确检测人体各部位（如手腕、膝盖、步态及手指）的运动信号，在康复训练力量监测、人机交互及医疗诊断领域展现出应用潜力。

领先制造工艺：选择性激光烧结技术（SLS）

  团队采用选择性激光烧结（SLS）技术，使用热塑性聚氨酯（TPU）和多壁碳纳米管（MWCNTs）复合粉末材料，实现了传感元件的一体化成型制造。这种先进制造工艺可实现复杂三维结构的精确制造，保证产品一致性和质量稳定性。

图1 制备工艺

结构提出：建立结构参数与压阻性能之间的关系

  团队从宏观结构设计入手，创新性地采用弧形蜂窝负泊松比结构（AH 结构），有效规避了传统直杆型结构在弯曲变形能力差和应力分布不均方面的不足。通过理论建模，建立了关键结构参数（θ，d，l，b）与弹性模量（E）、泊松比（υ）之间的解析表达式，揭示了宏观结构与力学性能之间的定量关联。研究发现，AHPSE的压阻性能与结构参数存在定量关系，通过减小θ、d和l，同时增大b，可显著提升其压阻响应性能。这一发现为实现压阻性能的定向优化提供了明确的结构设计准则，为开发高性能柔性传感材料奠定了理论基础。

图2 弧形蜂窝结构的静态力学参数与角度θ的关系

图3 参数对压阻性能的影响

负泊松比效应：促进压阻性能

  通过扫描电镜观察和宏观理论分析，团队揭示了AHPSE传感器优异性能背后的微观机制：MWCNTs作为导电填料分散在TPU基体中，TPU的软段提供柔性，硬段增强力学强度。激光烧结过程中，TPU熔化促使MWCNTs重新分布并形成连续导电通路。当碳管间距小于隧穿效应有效距离时，形成有效电阻，构成导电网络。该网络的等效电阻由有效MWCNTs段电阻与节点电阻共同决定。在受压过程中，不同于传统正泊松比结构，具有负泊松比特性的AHPSE发生横向收缩，孔隙减少，MWCNTs向结构中心聚集并形成新的点接触和面接触，间距进入隧穿有效范围，电导率显著上升，宏观表现为高灵敏度。当压缩率达到40%时，结构进入致密化阶段，MWCNTs形成密集渗流网络，导电机制由隧穿传导转为欧姆传导，灵敏度下降。负泊松比效应有效避免了传统结构因横向膨胀导致的碳管分离和通路断裂问题，为宽范围稳定传感提供了结构支持。

图4 TPU/MWCNTs压阻敏感元件的工作原理示意图

图5 TPU/MWCNTs负泊松比压阻敏感元件的微观图

AHPSE性能的检测与应用

  经过结构优化（θ=45°, d=0.6, b=4.5, l=7.0）和大量实验验证，AHPSE展现出良好的综合性能：AHPSE在不同压力区间表现出相适应的灵敏度（超低压区间为9.912 kPa^-1，低压区间为3.855 kPa^-1，中压区间为0.175 kPa^-1，高压区间为0.029 kPa^-1），检测范围为0.039-2200 kPa，迟滞率控制在7.5%，响应时间为50 ms，恢复时间66 ms，具有卓越耐久性。

图6 经结构优化后AHPSE的压阻性能

图7 不同压力（30、200和550 kPa）下的循环试验

图8 厚度不同的AH结构的变形行为

应用实践：从实验室到实际场景

  团队将AHPSE应用于多种康复训练场景，取得了显著的效果：可精确识别不同角度的手腕弯曲，实时反馈训练强度和幅度，为康复进度的评估提供量化数据；可以进行膝关节康复训练，监测屈伸运动的全过程，识别不同运动阶段的特征信号，为康复方案的调整提供依据；能够分析步态，监测步行姿态；同时可进行手势识别与人机交互。

图9 AHPSE的应用

总结

  该团队提出的基于激光烧结技术的负泊松比压力敏感元件，巧妙的结合了结构设计和先进的制造工艺，打破传统技术的局限，实现了高性能与低成本的统一。在结构方面，理论建模与仿真分析结合，引入弧形杆避免应力的局部集中；在制备工艺上，使用激光烧结技术，调节工艺参数使结构具有孔隙率的同时又简化制备工艺，在多个领域展现出广泛应用潜力。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168600

第一作者简介

  赵文，东北林业大学机电工程学院，副教授，硕士生导师。主要围绕增材制造技术、机电一体化技术与非标智能生产线开展研究。在国内外相关学术领域累计发表论文二十余篇，参与出版专业教科书两本，授权俄罗斯国家发明专利7项，实用新型专利1项。

通讯作者简介

  李健，东北林业大学机电工程学院，教授，博士生导师，副院长，机械专业学位硕士负责人。中国林学会高级会员，黑龙江省机械工程学会增材制造专委会秘书长，东北林业大学3D打印材料与技术研究中心主任。主要从事林果采摘装备、仿生机器人、增材制造技术等方向的教学与研究工作。先后主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目2项、中国博士后特别资助项目、黑龙江省自然科学基金优青项目、中央引导地方项目、黑龙江省重点研发项目等10余项科研课题。曾获省部级科技奖励3项，发表论文50余篇，授权专利30项，出版教材、专著4部。现兼任黑龙江省机械工程学会增材制造专委会秘书长，《林业科学》、《森林工程》等期刊青年编委等。