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1. 文章导读
有机水凝胶应变传感器因柔软贴肤备受关注，但结构设计不当常导致灵敏度与稳定性不足。近期，南方科技大学付成龙教授、白家鸣副教授、葛锜教授、新加坡科技设计大学杨会颖教授课题组联合开发了一种3D打印有机水凝胶应变传感器，通过设计不同泊松比结构，实现高灵敏度与高稳定性的突破。方格结构传感器在离子和电子模式下分别达到4.5和1.5×10⁶的灵敏度，为柔性可穿戴设备在健康监测和人机交互领域提供了全新方案，并在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“3D printed organohydrogel-based strain sensors with enhanced sensitivity and stability via structural design”的文章。

2. 图文解析

本研究的创新之处在于通过结构设计引入正、近零和负泊松比的有机水凝胶结构，结合3D打印技术，实现了应变去集中化，显著提升了传感器的灵敏度与稳定性。进一步通过3D定制设计，使传感器具备良好的穿戴性与透气性（如图1所示）。

图1 可穿戴和透气的三维有机水凝胶应变传感器设计思路。

本研究设计并制造了具有正、近零和负泊松比的块状、菱形、方格和花生形水凝胶结构，揭示了结构与力学性能的关系。其中，方格结构因接近零泊松比，在拉伸过程中角度几乎不变，实现了更均匀的应变分布和更高的弹性恢复能力（如图2所示）。此外，方格结构水凝胶表现出最高的灵敏度。通过对拉伸前后边缘和节点处电流密度变化的分析，方格结构因边缘扩张变形机制，导致动量转移碰撞频率高，传感灵敏度高（如图3所示）。进一步减少方格单元数量，降低线与节点间的应变差异，从而提升传感器稳定性。所制备的离子与电子导电水凝胶仍表现出优异的稳定性，灵敏度分别达到4.5（0–200%应变）和13.5/1.5×10⁶（0–2%/2%–100%应变），远超文献报道水平（如图4所示）。最后，本文成功打印出三维方格结构传感器，可直接穿戴在手指，兼具透气性、稳定性、生物相容性等优势。最终传感器集成于人机交互系统中，实现了最小监测角度达5°的精确控制，展现出卓越的操作稳定性（如图5和视频1、 2所示）。

图2 有机水凝胶的制备及结构对力学性能的影响机制。

图3 有机水凝胶结构对传感性能的影响机制。

图4 有机水凝胶的结构优化及其力学与传感性能。

图5 三维有机水凝胶传感器在人机交互中的应用。

视频1（见文末）

视频2（见文末）

3. 总结与展望

本研究基于DLP 3D打印技术，构建了正、近零与负泊松比的菱形、方格和花生形有机水凝胶结构，系统揭示了结构对力学与传感性能的影响机制。结果表明，方格结构在拉伸时因边缘角度扩张效应显著增强电阻变化，提升了传感灵敏度。通过结构优化，有效降低线区与节点间的应变差异，实现应变去集中化，提升了传感稳定性。进一步制备的3D定制化方格结构传感器兼具良好的可穿戴性与透气性，并成功应用于人机交互系统，实现对瘫痪患者抓握动作的实时精准监测，展示了其在柔性可穿戴电子与人机交互领域的广阔前景。