如何让机器人拥有媲美人类指尖的多维触觉？中国科学技术大学贠国霖特任教授与剑桥大学Tawfique Hasan教授合作，在柔性传感领域取得重大突破。团队通过多尺度材料结构设计，开发出基于石墨烯-液态金属复合材料的微型三维力传感器阵列，性能全面超越现有技术。相关成果以“Multiscale-structured miniaturised 3D force sensors”为题，于近日登上材料学顶级期刊《Nature Materials》。
图一、文章网页截图
迈向人类指尖般的三维触觉
得益于皮肤中密集分布的机械感受器细胞和三维力传感能力，人类指尖能精准感知压力、滑动甚至物体纹理。让机器人或假肢拥有媲美人类的三维触觉进而感知滑动、粗糙度等复杂接触信息，是实现其与物理世界安全、灵巧交互的核心挑战。然而，现有传感器难以在微小尺寸下实现高精度三维力检测。尽管近年来各种柔性触觉传感器发展迅速，却无法兼顾高传感性能与精准的三轴力解耦（区分力的xyz三轴分量）能力，更无法在微米尺度上复现人类指尖的触觉感知精度。
为突破这一困境，研究团队对石墨烯-液态金属复合材料进行多尺度力学结构设计，成功开发出灵敏度高达120 kPa-1、宽线性量程（R²>0.998）、单元尺寸仅200微米、检测极限低至μN级（一粒沙子的重量）的微型三维力传感器阵列，为下一代人机交互与精密操作提供了高效解决方案。
多尺度复合材料设计：各向异性超高灵敏度
研究团队首先聚焦于材料创新，将多刺镍颗粒、石墨烯纳米片和液态金属复合于多孔PDMS基体中，并通过磁场定向排列镍颗粒，得到各向异性多孔弹性体（图二A）。材料变形时，其动态固-液导电网络中的液态金属随基体形变保持导电接触，石墨烯则作为柔性电连接桥梁。通过构建多孔结构，材料沿颗粒排列方向的灵敏度显著提升，是其横向灵敏度的数百倍（图二B）。这种“定向敏感”特性有效解决了困扰现有柔性传感器的横向干扰问题。
图二、复合材料的（A）三维结构和（B）各向异性电性能
仿生金字塔传感器：线性化响应与三维力解耦
几何补偿破解非线性难题
受人体表皮的波浪状界面启发（图三A），团队设计了金字塔形传感器单元（边长200 μm至8 mm）。该结构可以调节传感器的非线性应力-应变曲线，与材料本身的非线性电导率-应变曲线耦合，巧妙地得到了线性的电导率-压力关系——传感器在500 kPa检测范围内R² > 0.998（图三B）。这种通过几何补偿克服弹性材料固有非线性响应的方法为柔性传感器设计提供了新思路。此外，镍颗粒间的纳米量子隧穿、微观各向异性颗粒网络和微米孔隙、以及宏观金字塔应力集中结构，这些多尺度结构共同实现了传感器122.7 kPa-1的极高压力灵敏度。
图三、（A）仿真皮层的传感器结构设计和（B）传感器的电导-压力响应曲线
基于结构的三维力解耦
更核心的突破在于传感器的三维力解耦能力。金字塔结构在法向力下，底面产生对称的偶函数压力分布；在剪切力下，则产生反对称的奇函数压力分布（图4A）。通过传感器底部的四个电极测量压力，即可实时计算法向力（正比于压力均值）和切向力（正比于压力梯度）的大小与方向（图四B）。实验显示力方向测量误差<3°，力大小误差<3.1%。此外，传感器还能通过摩擦力突变检测滑动，并通过电位波动幅度估测表面粗糙度。
图四、传感器解耦三轴力的原理
从单元到系统：机械臂智能操作与微尺度感知
为验证传感器性能，团队将一个4单元传感器阵列集成于机械臂夹爪（图五A）。在纸筒抓取任务中，传感器以11 mN的微小接触力触发无损抓取，并通过剪切力测量物体重量。相比之下，商用传感器由于触发力过大导致纸筒变形损坏。
在另一项展示实验中，机械臂抓取未知物体并转移到未知高度平台上。传感器可实时识别铁块的滑动自主调整夹持力度（t1，图五B）；同时通过力方向变化计算物体重量和摩擦系数，并智能识别铁块接触平台自动释放物体（t3，图五B）。整个转移过程体现了传感器在未知环境中的强大适应能力。
图五、（A）安装三维力传感阵列的机械臂。（B）机械臂实现铁块的智能转移。（C）微型传感器阵列。
进一步地，团队开发了单元尺寸仅200 μm的微传感器阵列，最低检测极限（触发力）仅为一粒沙子的重量（μN级），远超世界先进水平（图五C）。基于三维力分布，微传感器阵列成功识别了其上放置的不同金属球的尺寸和密度。该技术为机器人提供了媲美人体皮肤的触觉感知能力。
总结与展望：迈向电子皮肤的未来
本研究通过多尺度材料力学结构创新和微型化设计，成功开发了高性能微型化三维力传感阵列，为机器人触觉、智能假肢和电子皮肤的环境交互提供了新方法。未来通过将单元尺寸缩小至50 μm以下，并集成温湿度传感功能，这类传感器有望在机器人触觉、仿生皮肤等领域开启更多可能性。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02508-7
作者简介：
贠国霖博士现任中国科学技术大学近代力学系特任教授，博士生导师，海外优青。曾任英国剑桥大学皇家学会牛顿国际学者、高级研究员。主要研究方向为液态金属多尺度结构复合材料，及其在先进力学测量、自感知调控、和柔性电子设备中的应用。迄今出版著作章节1部，发表学术论文40余篇（其中在Nat. Mat., Nat. Commun., Sci. Adv., Matter, AFM, Adv. Sci., IEEE TRO 等期刊发表一作、通讯论文16篇），引用2000余次，h指数22。研究成果获Phys.Org、中国科学报等权威媒体报道，并多次受邀在国际会议作报告并任分会场主席。团队长期招收研究生与博士后（联系邮箱：ygl@ustc.edu.cn，个人主页：https://faculty.ustc.edu.cn/yunguolin）。
