工業4.0時代，機器需要更聰明的“感官”——但傳統傳感器成本高、生產慢、功能單一？我們顛覆性突破來了！只需一臺3D打印機，用“碳纖維+TPU”復合材料快速打造一體化超材料傳感器：低成本材料、數小時量產、單層結構直接感知應變、應力、溫度！從機械臂實時精準操控，到復雜環境下的設備健康監測，它像給工業機器裝上“感知神經”，讓生產線自主適應復雜工況。告別多層堆疊和復雜工藝，這才是未來智能制造的“基礎設施”！
 

    近期，西安交通大學韓賓、張琦教授團隊提出一種創新方法：基于連續碳纖維（CCF）和熱塑性聚氨酯（TPU），通過熔融沉積建模3D打印技術結合星形超材料設計，成功制備高性能柔性多功能傳感器。相關成果以“3D printed continuous carbon fiber reinforced TPU metamaterials for flexible multifunctional sensors”為題發表于國際權威期刊《Chemical Engineering Journal》。
 

柔性多功能傳感器能夠同時檢測和傳輸不同外部信號的變化，在電子皮膚、人機交互等領域具有巨大的應用潛力。然而，制造具有多種功能的柔性傳感器在成本、生產率和集成方面仍然是一項具有挑戰性的任務。該研究介紹了一種利用連續碳纖維（CCF）和熔融沉積建模（FDM） 3D打印技術，結合星形超材料設計，制作柔性多功能傳感器的新方法。

研究開發的傳感器通過創新3D打印技術實現單層集成，摒棄了傳統工藝中復雜的化學合成與多層封裝步驟，生產速度高達2.9米/小時，較傳統方法提升5倍。其核心功能涵蓋應變（0-180%）、應力（0-1 MPa）及溫度（30-100°C）的同步檢測，溫度靈敏度達0.5%/°C，尤其在沖擊載荷下電阻變化率高達15%，展現了寬域傳感能力與高環境適應性。通過星形超材料的路徑優化設計，傳感器實現了各向同性結構，在1000次拉伸循環后電阻波動小于3%，耐久性顯著超越傳統碳納米管/PDMS傳感器，為可穿戴設備與工業監測提供了高穩定性的解決方案。最后通過將該工作的柔性傳感器應用于假手動作感知與操控，有望實現“遠程操控+智能抓取”的集成場景應用。
 

研究的創新點如下：

（1）通過超材料結構設計，賦予CCF/TPU傳感器對應變、應力及溫度的協同響應能力，首次實現單一材料多物理場同步檢測，為復雜環境監測提供關鍵數據。

（2）基于手形超材料的柔性傳感器成功應用于人體肘部運動監測，驗證其在運動追蹤場景的實用性，拓展了可穿戴設備的傳感維度。

（3）采用一體化3D打印工藝，實現高集成度、低成本與快速制造，突破傳統傳感器工藝復雜與高成本的瓶頸。

未來該團隊的研究將聚焦于提升傳感器對多源信號的解耦能力，并深入探究其在振幅、頻率及模態分析等維度的振動傳感特性，結合超材料的結構優勢進一步優化動態響應性能。通過深化對復合信號識別機制與振動能量傳遞規律的研究，該技術有望在工業監測、智能機器人觸覺反饋等領域拓展應用邊界，持續釋放其技術潛力與實用價值。

西安交通大學韓賓副教授為論文的通訊作者。論文的第一作者是西安交通大學研究生王一諾。合作者還包括西安交通大學張琦教授。

作者簡介：
 

韓賓，西安交通大學機械工程學院長聘副教授，博士生導師，Materials期刊編委、航天制造技術期刊青年編委。從事多功能輕質結構創新設計、先進增材制造技術、復合材料成形及焊接等領域的研究工作。主持承擔國家自然科學基金、科技部重點研發計劃課題、軍工科研項目、省部級科研項目及校企合作項目等20余項。在Int Mater Rev, Compos Part B,ChemEng J, Compos SciTechnol, AdditManuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J MechSci, Mater Design, Compos Struct等學術期刊發表中英文論文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次，H因子32；獲得授權發明專利40項、軟件著作權5項；榮獲陜西省科技進步一等獎、陜西高校科學技術一等獎、陜西博士后創新創業大賽銀獎、江蘇省力學學會科學技術特等獎等省部級獎勵4項。

個人主頁：

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/hanbinghost

https://scholar.google.com/citat ... u0AAAAJ&hl=en&oi=ao
 

張琦，西安交通大學機械工程學院教授，博士生導師。陜西省三秦英才特殊支持計劃科技創新領軍人才，十四五“增材制造與激光制造”重點專項總體組專家，中國航發科技委專業委員會委員，大飛機增材制造協同創新聯盟理事，陜西省機械工程學會理事，機械工程學會塑性工程分會理事。國防科學技術進步二等獎及陜西省科技進步一等獎，主持JKW基礎加強項目，激光與增材制造重點研發計劃，國家自然科學基金，04重大專項，陜西省重點研發計劃。發表高水平學術論文120余篇，授權發明專利148項。

個人主頁：

https://gr.xjtu.edu.cn/web/henryzhang

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