6月11日，国际顶尖期刊《科学》（Science）刊发了柔性压力传感超材料最新研究成果，题为“面向宽量程、高灵敏度压力传感的力电超材料”（Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing）。论文第一作者为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，通讯作者包括集成电路学院张光祖教授和航空航天学院张耀教授。集成电路学院为论文第一完成单位。
柔性压电触觉传感器虽在机器人和医疗领域前景广阔，但长期受限于材料性能的矛盾：传统压电陶瓷刚度大、易碎，而柔性聚合物灵敏度低、极化难。更关键的是，传感器的高灵敏度往往意味着窄量程，二者难以兼得。
图1.双梯度压电超材料实现高灵敏和宽量程压力传感
针对这一瓶颈，联合团队创新性地开发出一种由聚合物基体与分子铁电体复合而成的新型压电软材料。该材料不仅具备光固化3D打印特性，且刚度可大范围调控。研究团队进一步提出了“杆板复合双梯度”超结构设计方法，即同时包含结构梯度和材料刚度梯度。这种设计使得传感结构能在小载荷下通过杆的弯曲实现高灵敏度，而在大载荷下自适应切换为板的压缩变形，从而实现高承载能力。实验数据显示，该柔性压电超材料将灵敏度提升至319.5 mV/kPa，探测范围覆盖1.3 Pa至3.45 MPa，跨越多个数量级，实现了高灵敏度与宽量程的共存。
图2.压电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。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，可精准区分柳絮、海绵、木块等不同材质，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.压电超材料用于食品新鲜度检测与地形地貌感知
该项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。
团队简介
华中科技大学集成电路学院先进功能材料与器件团队长期从事铁电材料与器件的设计、制备与应用研究，近年来取得了一系列代表性的科研成果。团队成员主持国家自然科学基金等项目20余项，发表Science，Science Advances，Nature Communications和Advanced Materials等论文100余篇，授权国家发明专利20余项，相关专利成果应用于企业产业化。团队欢迎不同背景（尤其是电子、材料、化学、光电等）的优秀博士生/硕士生/本科生加入！希望不同背景的我们，能碰撞出创新的构想，为了共同的追求，一起快乐从事有意思且有意义的科研！
