共同第一作者：游馨、黎相远、刘贤哲
共同通讯作者：刘贤哲、黄爱萍、罗坚义
背景介绍及内容概述
柔性弯曲应变传感器因其高稳定性和高灵敏度，被认为在可穿戴健康监测和人机交互领域具有广泛的应用前景。然而，高灵敏度与稳定大角度传感能力之间的平衡仍然是当前主要瓶颈，严重阻碍了其实际应用。为突破此瓶颈，大量已发表的研究主要集中于空间和平面微结构的设计。然而，空间微结构的不可预测性、随机分布性及尺寸变化会导致批次间性能差异显著，这不仅严重阻碍了其定制化应用，而且使得弯曲传感器的性能难以调控。因此，在保持大弯曲角度稳定识别的同时提升平面微结构的灵敏度，仍是当前面临的重大挑战。
近日，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心罗坚义教授、黄爱萍教授、刘贤哲副教授团队提出了一种协同材料-结构工程策略以提升弯曲传感性能。该策略主要包括两个核心部分：一是自主研发的具有优异印刷性的碳基导电颗粒墨水；二是经过合理设计优化的传感层结构。通过电流体动力学印刷技术将二者结合，成功制备出高稳健性的柔性弯曲应变传感器。实验结果表明，所制备的传感器在弯曲变形下表现出卓越的机电响应性，包括宽工作范围（10°–150°）、高灵敏度（GF = 50.74）、快速响应、低迟滞以及优异的长期稳定性。在实际应用中，该传感器能精准捕捉从细微颈动脉搏动到大幅度肘部屈曲等多种生理信号。此外，团队进一步开发了一种可穿戴手势识别系统，通过集成印刷柔性弯曲应变传感器阵列，实现了高精度手势识别，并成功应用于无人机的虚拟飞行控制。上述成果表明，该研究所提出的印刷传感器为实现灵敏度与角度识别性能的良好平衡提供了一种具有前景的解决方法，有望推动柔性电子技术在智能人机交互领域的实际应用。
本工作以“Synergistic material-structural engineering for preparing high-performance, flexible bending strain sensors via electrohydrodynamic direct writing ”为题，发表在Science China-Technological Sciences上。
论文具体内容：
图1（a）弯曲应变传感器生理信号监测示意图；（b）喷墨印刷柔性弯曲应变传感器示意图
图2 不同固化条件下CFP液滴的分布情况：（a）液滴法示意图，（b）固化温度，（c）固化时间；有/无表面活性剂CFP的印刷线对比：（d）抑制“咖啡环效应”示意图，（e）表面轮廓，（f）表面形貌，（g）电导率
图3 SCFP -3墨水的表征与性能：（a）粒径分布，（b）CFP填料的TEM图像，（c）粘度随剪切速率变化的曲线，（d）有/无O2等离子体处理柔性基板的墨水接触角，（e）直写印刷液桥的形成过程，（f）印刷线宽随电场强度的变化，（g）印刷线宽和电阻随印刷速度的变化，（h）印刷线宽、电阻和厚度随印刷次数的变化，（i）印刷线不同区域横截面的SEM图像
图4 （a）同一应变条件下不同传感层结构的应力模拟:（i）无图案结构，（ii）网格结构，（iii）蛇形结构，（iv）负泊松比菱形网格结构；（b）外弯0°、30°、60°、90°、120°和150°的电阻响应曲线
图5 5-NPR-L传感器的性能表征：（a）NPR-L与5-NPR-L传感器0°-150°弯曲电阻变化率对比，（b）0°-150°弯曲迟滞曲线，（c）宽角度范围内的相对电阻响应与GF，（d）最大弯曲角度下的电阻响应与近期报道的印刷弯曲应变传感器对比，（e）不同弯曲速率下90°弯曲的电阻响应，（f）25 mm/s弯曲速率下的响应时间，（g）25 mm/s弯曲速率下90°循环弯曲3000次的实时电阻变化
图6 5-NPR-L传感器在检测多种人体运动中的应用：（a）颈动脉，（b）肌肉运动，（c）鼓气，（d）吞咽；5-NPR-L传感器在关节弯曲时的相对电阻变化：(e) 手指，(f) 颈椎，(g) 膝关节，(h) 手腕，(i) 肘关节
图7 5-NPR-L弯曲应变传感手套在手势监测与人机交互中的应用展示：（a）人机交互系统的示意图，（b）便携式数据采集板实拍图，（c）数据传输示意图，（d）弯曲应变传感手套实拍图，(e) 传感手套操控无人机飞行示意图
总结与展望
本研究提出了一种高效可行的方法，通过材料-结构协同工程策略制备高性能、柔性印刷弯曲应变传感器。通过使用未经表面功能化处理的自制亚微米导电CFP填料，获得了具有稳定分散性的颗粒墨水体系。采用 EHD 直写技术制备了高性能、柔性弯曲应变传感器。通过理论模拟和实验验证，提出了一种特定的NPR-L网格结构，用于在大弯曲变形下调节印刷传感层中的应力大小和分布。具有NPR-L网格结构的柔性印刷弯曲应变传感器表现出卓越的传感性能，包括宽线性的弯曲角度范围（10°–150°）、高灵敏度（GF=50.74）、快速响应时间和优异的循环稳定性。该柔性NPR-L弯曲应变传感器凭借其卓越的适应性，能够准确捕捉从细微的颈动脉脉搏到大幅度肘部屈曲等一系列生理信号。基于NPR-L弯曲应变传感阵列卓越的机电响应性，开发了一套智能手套系统，有助于准确检测手势变化。此外，通过集成智能手套系统构建了人机交互平台，该平台提供精确的手势识别，从而实现无人机飞行的精确操控。这些结果表明，印刷弯曲应变传感器为开发人机交互提供了新的发展前景。
作者及团队介绍
共同第一作者：游馨，女，五邑大学应用物理与材料学院2023级材料与化工专业硕士研究生。
共同第一作者：黎相远，男，五邑大学电子与信息工程学院2022级通信工程专业本科生。
共同第一作者：刘贤哲，男，五邑大学应用物理与材料学院副教授。
共同通讯作者：刘贤哲，男，工学博士，副教授，硕士生导师，主持广东省基础与应用基础研究基金项目（青年基金项目和面上项目）2项和广东省普通高校特色创新项目1项；主要研究方向为：柔性传感材料和器件及其应用研究、新型光电材料与器件、喷墨印刷柔性电子器件。
共同通讯作者：黄爱萍，女，工学博士，教授级高级工程师、五邑大学教授，硕士生导师，中国电源学会磁技术专业委员会委员、中国电源学会会员、中国电子学会会员、江门市一级高层次人才，《磁性材料及器件》青年编委。长期从事高性能软磁铁氧体材料研发及制造技术研究，科技成果“兼具双重特性高性能锰锌铁氧体材料”属于国际首创，开创了国内锰锌铁氧体新材料研究局部引领世界的先河，并实现了低成本产业化。主要研究方向：铁氧体、金属软磁及其复合材料的设计研发与制备技术；各类传感材料（力学、气体、磁场等）的设计与应用研究。
共同通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），国务院政府特殊津贴专家（2023），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师，江门市首届“侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市“十佳教师”。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气体传感和光电传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。
附文献及DOI号
Synergistic material-structural engineering for preparing high-performance, flexible bending strain sensors via electrohydrodynamic direct writing
DOI：https://doi.org/10.1007/s11431-025-3142-x
