2026年6月12日，国际顶级学术期刊《科学》（Science）在线刊发了柔性压力传感超材料最新成果“Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing”。集成电路学院张光祖教授、航空航天学院张耀教授为论文共同通讯作者，集成电路学院博士生杨非凡和航空航天学院博士生杨浩铭为论文共同第一作者。
柔性压电触觉传感器在人形机器人、具身智能系统和柔性可穿戴电子设备中应用前景广阔，但受限于材料性能的固有矛盾：压电性与柔软性难以兼顾。压电效应源于非对称晶体结构，该结构会带来高模量与低断裂应变，导致材料刚而脆。例如，石英和PZT陶瓷模量高（> 50 GPa）、断裂应变低（<0.2%）；PVDF等聚合物虽更柔，模量（0.1–2 GPa）仍比人体皮肤（0.01–1 MPa）高2–4个数量级，且矫顽场高、极化难。此外，传感器高灵敏度与宽量程也相互制约：灵敏度随模量降低而升高，宽量程则需高模量支撑承载能力。
图1.双梯度柔性压电超材料实现高灵敏和宽量程压力传感
针对高灵敏度与宽量程难以兼顾的问题，团队开发了一种由多组分聚合物与分子铁电体复合而成的新型压电软材料，兼具光固化3D打印能力与宽范围刚度可调性。在此基础上，提出一种杆–板混杂双梯度超结构：通过结构梯度与材料刚度梯度的协同设计，实现变形模式自适应切换。小载荷下以杆弯曲为主，提供低刚度和高灵敏度；大载荷下自动转为板压缩，实现高承载和宽量程。该设计解耦了灵敏度与量程对材料模量的相反需求，传感器灵敏度达319.5 mV/kPa，量程覆盖1.3 Pa至3.45 MPa（跨越6个数量级，图1），完美实现了高灵敏度与宽量程的共存。
图2.柔性压力传感超材料用于智能机器手指，实现压力感知与模量识别
在应用验证环节，团队将该材料一体化打印为机器手的手指（图1）。该人工手指表现优异：既能感知瓢虫（约20毫克）爬行、肥皂泡（约2.5毫克）着陆与破裂等微弱压力，又能承受5公斤钢球从20厘米高度落下的冲击而不损坏。此外，该手指具备物体模量识别能力，模量识别范围从90 Pa到1.32 GPa，跨越7个数量级，可精准区分柳絮、海绵、木块等不同材质。基于模量识别，手指成功应用于水果、奶酪及鸡蛋等食品的新鲜度与成熟度评估。将材料制成车轮后，还可用于复杂地形的感知与地层模量检测。
图3.柔性压力传感超材料用于食品新鲜度检测与地形地貌感知
该成果成功解决了柔性传感器领域高灵敏度与宽量程难以兼顾的行业痛点，为下一代智能机器人触觉系统及便携式健康监测设备的研发提供了重要的理论支撑与技术路径。
张耀教授团队长期聚焦天然材料与软物质力学研究，致力于研究该类材料的力学行为及其内在机理，并开发性能优异的绿色功能材料、传感器以及软体机器人。近年来，团队在软物质力学、3D打印智能材料与结构力学、天然纤维材料力学等方向取得系列创新成果，其中关于植物初生细胞壁非线性力学行为的研究于2021年发表于《科学》期刊。
论文链接：https:/www.science.org/doi/10.1126/science.aeb3456
