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  柔性壓力傳感器是電子皮膚、智能機器人、可穿戴設備等領域的核心器件之一。隨著人機交互技術和智能制造的迅速發展，傳感器不僅要具備超高靈敏度，以感知微弱的觸碰或力變化，還需要保持寬線性響應范圍，以在大載荷下實現準確、可重復的信號輸出。然而，這兩項性能指標在傳統傳感體系中往往難以兼得——靈敏度的提升通常伴隨早期飽和與非線性失真，而線性范圍的拓寬又往往以犧牲靈敏度為代價。這一“靈敏度-線性度矛盾”已成為限制柔性壓力傳感器進一步發展的關鍵瓶頸。

  為應對這一挑戰，四川大學材料科學與工程學院張傳芳教授團隊提出了一種全新的設計策略：通過MXene觸發化學實現梯度模量水凝膠的快速可打印化，并結合3D打印技術精確構建多尺度微穹頂結構。該策略實現了材料模量與幾何結構的協同調控，從根本上緩解了靈敏度與線性度之間的固有矛盾。

  2025年11月10日，研究成果以《MXene-Triggered 3D Printing of Gradient-Modulus Iontronic Pressure Sensors for Adaptive Robotic Grasping》為題，發表在Advanced Functional Materials上。

研究亮點

1.MXene觸發化學：讓水凝膠“快速、可控”固化

  團隊提出一種基于MXene表面活性位點的自由基觸發聚合策略，利用MXene的過渡金屬中心和-OH/-O/-F端基高效催化過硫酸銨分解，極大加速聚合反應速率。相比傳統引發劑體系（如Fe²⁺或抗壞血酸），MXene觸發體系能在數分鐘內完成凝膠化，并通過調控MXene含量實現從硬到軟的可編程模量梯度。這種可控凝膠化行為為后續的3D打印與力學梯度設計奠定了堅實的化學基礎。

2.模量梯度× 微穹頂結構：雙通道線性化機制

  研究團隊采用直寫式3D打印（DIW）技術，將MXene觸發的水凝膠打印為“硬-中-軟”梯度分布的微穹頂陣列。這種結構在受壓時呈現逐層傳遞與緩釋應變的特點，有效延遲機械飽和。通過有限元模擬（FEA）與實驗對比，研究者發現該梯度結構在整個加載過程中均可保持穩定應變分布，有效避免傳統均一模量材料在高壓下出現的局部塌陷與非線性輸出，實現了靈敏度與線性度的協同優化。

3.性能全面突破：高靈敏度、寬范圍、優穩定

  3D打印所得的離子-電容復合傳感器在0-440 kPa的壓力范圍內保持線性輸出，平均靈敏度達538 kPa^-1。此外，傳感器在400 kPa條件下經1500次加載-卸載循環仍保持穩定輸出，無明顯漂移或衰減，顯示出優異的結構與界面穩定性。即便在微小壓力下，器件依然能輸出清晰可辨信號，實現對極弱觸覺的可靠感知。

4.自適應抓取：從實驗室走向“智能手指”

  將該傳感陣列集成至柔性機械手的三指端部后，團隊展示了機器人對草莓、豆腐、金屬塊等不同材料與形狀目標的實時抓取感知。傳感器輸出信號能精確反映接觸力分布與物體剛度變化，實現無損抓取與自適應控制。這種高精度壓力反饋系統展現了MXene-3D打印柔性傳感器在智能機器人、人機交互及電子皮膚領域的巨大應用潛力。

圖文導讀

1.MXene 觸發化學驅動的梯度模量水凝膠壓力傳感器設計策略

  為解決柔性壓力傳感器在靈敏度與線性度之間長期存在的性能矛盾，研究團隊提出了基于 MXene 觸發聚合化學與微結構設計相結合的 3D 打印策略。通過調節 MXene 含量，實現了從上至下“硬-中-軟”的垂直模量梯度，使結構在受壓過程中產生分級應變傳遞，從而顯著延緩結構飽和。

  具體而言，打印過程中依次沉積含不同比例 MXene 的水凝膠油墨，并在打印瞬間與 APS 交聯固化，實現力學模量的連續可編程調控。最終所得的微圓頂陣列嵌入柔性電極之間，構建出離電式壓力傳感單元。在外界加載下，梯度模量與幾何設計的協同作用使應力在不同層中逐級釋放，既保證了低壓區的高靈敏度，又實現了高壓區的線性響應（圖1）。

2.MXene 調控下的水凝膠結構與力學性能演化

  為揭示 MXene 在凝膠化過程中的化學作用機制，研究對 MXene-PAA/PVA體系進行了系統表征。MXene 納米片具有優異的層狀結構與膠體穩定性（圖2a-c），并能促進自由基生成，從而顯著加速聚合反應速率。電子自旋共振結果證實，MXene 觸發的自由基濃度遠高于純水凝膠體系（圖2d），同時熱成像監測到聚合反應放熱明顯提前（圖2e）。

  結構表征表明，隨著 MXene 含量的增加，水凝膠網絡孔徑逐漸增大，內部交聯密度降低（圖2h），導致壓縮模量從約 94 kPa 降至 21 kPa（圖2i）。這種由 MXene 啟動的聚合動力學調控，實現了水凝膠模量的精確可調，為后續梯度打印奠定了材料基礎。

3.基于有限元模擬的梯度模量與結構設計優化

  為揭示梯度模量在力學響應中的作用機制，研究團隊利用有限元分析（FEA）系統模擬了不同模量分布下微穹頂單元的受力與變形行為。結果表明，傳統單一模量結構在高壓區迅速進入結構飽和，接觸面積增長趨緩；而引入“硬-中-軟”梯度分布后，壓力可在垂直方向逐層傳遞與釋放（圖3a,b），有效延緩高壓下的結構塌陷。進一步地，研究對不同孔隙率與微穹頂排布方式的應力分布進行了比較。模擬結果顯示，4E1H 結構在低壓區具有更高靈敏度，而梯度模量（GHML）設計在高壓區保持出色線性度，兩者結合可實現全區間靈敏度與線性度的平衡（圖3c,d）。

  實驗上，通過調控 MXene 含量實現了可打印油墨的流變性能匹配，使打印層之間形成連續的模量梯度。原位 SEM 壓縮測試進一步證實了梯度層間的逐級形變行為，與模擬結果高度一致（圖3e-k）。

4.3D 打印壓力傳感器的性能驗證

  在器件性能測試中，梯度模量微結構傳感器表現出優異的綜合特性（圖4a-j）。

  首先，在寬壓力范圍（0-440 kPa）內，傳感器展現出近乎理想的線性響應（R² = 0.995），靈敏度高達 538 kPa^-1（圖4b），顯著優于多數已報道的離子型或電容型傳感器。這一性能得益于層級結構的逐級變形與界面極化的協同放大效應。在動態響應測試中，器件對 160 Pa 的微小刺激實現了約 0.3 s 的快速響應與恢復時間（圖4c），信號無明顯滯后。頻率響應測試表明，在 0.05-0.2 Hz 的周期載荷下，輸出信號穩定、可重復（圖4d）。此外，器件可分辨微小壓力差并在預加載條件下保持高精度識別（圖 4e-g），在高壓區（400 kPa）持續加載 1500 次循環仍無明顯衰減（圖4i），展現出出色的長期穩定性。綜合性能比較（圖4j）顯示，本工作提出的梯度模量結構在靈敏度與線性度間實現了最優平衡。

5.自適應機器人抓取中的觸覺感知演示

  為驗證其在智能感知領域的應用潛力，研究團隊將 3D 打印壓力傳感器陣列集成至柔性機器人抓手的指尖，實現實時力反饋（圖5a,b）。在抓取草莓、豆腐與金屬塊等不同柔度與形狀的目標時，三通道傳感器能獨立識別觸點壓力變化，并通過電容信號反映抓取過程的各階段——準備、接觸、保持與釋放。結果顯示，對于柔軟易形變的草莓，信號變化迅速且能在短時間內穩定（圖5c,f）；而高柔度的豆腐樣品產生了更緩慢的響應曲線，反映出其顯著的黏彈性緩沖效應（圖 5d,g）；對于剛性金屬塊，三通道信號幾乎同步上升，表明受力均勻、接觸穩定（圖 5e,h）。偽彩色壓力圖進一步揭示了空間分辨的受力分布，證實該陣列在多點觸覺感知中的高空間與時間分辨率。

  該演示表明，梯度模量水凝膠傳感陣列不僅可精準識別壓力大小，還可區分目標材料的力學屬性，為柔性機器人與人機交互提供了新的解決方案。

  本研究以“材料觸發+結構設計”的雙重策略，為柔性壓力傳感器的性能優化提供了全新思路。通過 MXene 化學賦能與可編程打印的融合，研究者協調了靈敏度與線性度間的性能矛盾，并為柔性電子、軟體機器人及智能仿生器件的高性能化提供了新思路。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202522891

作者簡介

張傳芳

本文通訊作者

四川大學材料科學與工程學院，教授

  四川大學教授，博士生導師，國家級青年人才，國家海外高層次人才引進計劃入選者，四川省天府峨眉計劃（青年），四川省特聘專家，四川省專家服務團專家，四川大學百人計劃A類入選者，四川大學印刷柔韌交互通信電子團隊負責人。歷任美國能源部資助下的Drexel-UCLA合作項目的主要研究員（2012-2014），愛爾蘭都柏林圣三一學院博士后（2015-2019），瑞士聯邦理工學院聯邦材料所高級科學家、項目負責人（2019-2022）。受邀擔任70余個同行評議期刊審稿人，如Nature, Nature Comm, JACS, Angewandte, Adv. Mater., Joule, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Prog. Mater. Sci.等，并擔任歐盟研究基金（ERC starting, consolidate）、德國科學基金會（DFG）通訊評審專家。迄今發表104篇SCI論文，如Nature Energy, Nature Commun. (4篇), Adv. Mater (VIP), Angewandte, Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater (VIP), ACS Nano等雜志，其中VIP論文4篇，ESI熱點論文9篇，ESI高被引論文29篇。H-index為59，被Science, Nature, Nature Energy等SCI雜志引用21,000余次。他還在普林斯頓大學等高校院所及華為、中車等知名企業做了70余次學術報告。他入圍2016年、2018年愛爾蘭年度青年領軍人物、年度實驗科學家、年度實驗研究員等稱號，被評為2019歐洲華人十大科技領軍人物、2022-2025美國科睿唯安全球高被引科學家、2025斯坦福大學全球前2%科學家及終身影響力科學家、2023四川大學課堂教學質量優秀獎、2023四川大學優秀科研人才獎。

Email:chuanfang.zhang@scu.edu.cn

【張傳芳課題組招聘】

課題組誠聘博士后

  專職博士后在站期間重點從事印刷固態電池、可穿戴自供能電子皮膚等相關科研工作；博士后聘期為3年（可續聘），具體管理按照四川大學材料學院相關規定執行。

一、博士后研究方向

  1. 印刷固態電池：準固態電池的電極-固態電解質界面、正負極材料設計及合成；固態電解質在電極材料中的遷移動力學；固態電池的一體化批量印刷。

  2. 自供能電子皮膚：高靈敏觸覺傳感基電子皮膚的設計、電池與電子皮膚的集成印刷、可拉伸電池與電子皮膚的設計。

二、博士后招聘條件

  1. 獲得博士學位不超過3年的博士，或通過博士學位論文答辯的應屆博士，年齡在35周歲以下；

  2. 以第一作者在知名學術期刊上發表學術論文一篇以上；具有出色的論文寫作能力；具有二維材料、電化學儲能器件、印刷電子、傳感器、電子皮膚等領域背景。

  3. 學術思想活躍，具有較強的學術能力及自主創新能力，具有良好的研究基礎和立足學科前沿的研究方向與規劃，能開展前瞻性、創新性的科學研究。

  4. 具有良好的學術道德和職業素養，具有較強的團結協作精神。

三、博士后聘期待遇

  1. 學校提供24萬元的崗位年薪，省市再提供10萬的博士后補貼，特別優秀的博士后稅前年薪可達40萬。提供住房補貼。大力協助申請競爭性的“四川大學專職博士后研發基金”（8-20萬元）。符合相關政策者提供周轉房，協助解決子女入托入學問題。與普通專任教師享受同等學術待遇和職稱晉升等待遇。并參照校內同級人員的標準為博士后繳納“五險一金”；

  2.合作導師將大力協助其申請各類自然科學基金和人才計劃；

  3. 在站博士后成績突出者，可破格申報副高職稱。

  4. 第一作者、四川大學材料學院為第一單位發表有影響力的科研成果可享受學院和課題組統籌發放的科研業績獎勵。

四、應聘方式

  申請者請將以下資料通過郵箱發送到chuanfang.zhang@scu.edu.cn (張傳芳)：

  1. 個人簡歷（包含學習和工作經歷、發表論文、參與項目等）；

  2. 代表性論文以及其他可以證明本人研究能力及水平的相關資料

  3. 郵件標題為博士后應聘。

  4. 專職博士后職位常年招聘，入職時間靈活。