《GLOBAL CHALLENGES》：Nonlinear Strain Engineering via Meta-Material Substrates for Flexible Sensors With Simultaneously Enhanced Sensitivity and Wide Sensing Range
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柔性应变传感器面临灵敏度与传感范围之间尚未解决的内在权衡。研究人员提出了一种基于超材料的传感器平台（超材料传感器），通过工程化传感元件的局部应变输入来克服这一权衡。一个应变刚化弯曲螺旋结构与一个均匀刚度剪纸图案结构串联连接，产生非线性应变分配：在力学转变之前，
柔性应变传感器面临灵敏度与传感范围之间尚未解决的内在权衡。研究人员提出了一种基于超材料的传感器平台（超材料传感器），通过工程化传感元件的局部应变输入来克服这一权衡。一个应变刚化弯曲螺旋结构与一个均匀刚度剪纸图案结构串联连接，产生非线性应变分配：在力学转变之前，全局应变集中于传感器界面以放大灵敏度；转变之后，应变重新分布以扩展传感范围。将剪纸裂纹基传感器（最大施加应变范围为50%）集成到该复合基底上，可将工作范围扩展至125%施加应变——即2.5倍的范围扩展（从50%到125%）——同时将中段响应提升至宽范围参考传感器的约3.5倍。该平台在静息与剧烈运动期间的呼吸监测以及从早期到晚期恢复的膝关节康复跟踪中得到了验证。这种超材料基底方法提供了一种通用的、与材料无关的策略，可同时实现高灵敏度和宽传感范围。
论文解读：基于超材料基底的柔性应变传感器灵敏度与传感范围协同增强策略
一、研究背景与问题
柔性电阻式应变传感器因机械柔顺性、轻量化以及与生物表面兼容等特点，在可穿戴健康监测、软体机器人和人机界面等领域受到广泛关注。其中，裂纹基传感器通过在聚合物基底上沉积金属薄膜并利用微裂纹的可控扩展与闭合实现极高的应变系数（gauge factor），被认为是极具潜力的传感方案。然而，赋予裂纹基传感器高灵敏度的裂纹几何结构同时限制了其工作应变范围：在小应变下裂纹即完全张开，电阻超出可测极限。相反，为适应大应变而设计的传感器（如采用剪纸图案基底）会将施加的变形分散到整个结构中，降低传感元件处的局部应变，从而降低灵敏度。这种灵敏度与传感范围之间的反比关系广泛存在于电阻式传感机制中，无法仅通过材料替换或传感元件的几何优化加以解决。
以往研究多集中于传感材料或传感器几何本身，如裂纹形貌工程、分级微结构或异质复合材料。但这些方法存在共同局限：无论采用何种材料体系，单位应变下电阻变化率越高，达到饱和之前的应变窗口就越小。对传感元件的渐进式结构优化仅仅沿灵敏度-范围边界移动工作点，并未从根本上突破该约束。更重要的是，这些策略均未处理一个更可操控的问题：传递给传感元件的应变被视为由外部边界条件决定的给定值，而非可设计的变量。
二、研究目标与创新思路
本研究不再将应变输入视为固定量，而是将传感器界面的局部应变作为工程变量，通过传感器所键合基底的力学设计加以控制。研究人员提出一种由两个力学性质不同的子结构串联组成的超材料基底：一个具有明确应变刚化转变的S形弯曲结构（结构A），另一个在变形全程保持恒定模量的剪纸结构（结构B）。二者的组合产生非线性应变分配：在结构A保持柔顺时，全局应变优先集中于传感器界面以放大灵敏度；当结构A刚化后，应变逐渐转移离开传感器以扩展传感范围。由于该机制在基底层面运作，其与传感材料的选择无关，目标灵敏度与范围曲线可通过各子结构的结构参数分别调谐。研究采用剪纸裂纹基传感器作为代表性传感元件进行实验验证，因其灵敏度-范围权衡已被充分表征且与可穿戴监测高度相关。
三、主要技术方法
本研究采用以下关键技术方法：有限元模拟（finite element method, FEM）分析结构A和结构B在变形过程中的应力分布与力学响应；单轴拉伸试验表征各子结构及复合结构的力-应变关系；数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术追踪复合结构中各子结构的局部应变；四线法电阻测量用于准静态和动态电学表征；激光微加工制备剪纸裂纹传感薄膜；3D打印模具浇铸制备超材料结构；扫描电子显微镜（SEM）确认传感薄膜的裂纹形貌；循环加载与耐久性测试评估传感器的机械鲁棒性。裂纹传感薄膜为溅射沉积50 nm铂（Pt）薄膜于30 μm硅橡胶基底上，超材料结构由铂催化加成硅弹性体（Shore A 10）制成。
四、研究结果
2.1 超材料传感器架构与工作原理
集成传感器包含两个力学性质不同的区域。上部为主动换能元件：采用剪纸几何图案的裂纹基电阻传感器，通过折叠金属涂层薄膜实现柔性低电阻互连。下部为超材料基底，由两个子结构端对端串联。互连结构以125%预应变状态附着于基底，松弛后屈曲脱离基底，直至施加应变超过125%才与基底机械耦合。实验表明，该超材料传感器附着于手腕时，可同时检测手指弯曲的细微变形和手腕大幅度弯曲的应变。有限元模拟显示，结构A在低模量阶段呈现弯曲主导的变形，接近转变阈值时弯曲臂逐渐拉直，载荷传递机制由弯曲转变为轴向拉伸，刚度急剧上升；结构B的剪纸图案在整个变形过程中产生空间均匀的应力场，力-应变关系呈线性。电学表征显示，独立剪纸裂纹传感器最大应变范围为50%，而超材料传感器将有效感知范围扩展至125%施加应变，即原始范围的2.5倍；在转变前区域，超材料传感器的电阻响应约为宽范围（125%）参考传感器的3.5倍。
2.2 超材料结构的力学表征
结构A的三种变体A90、A120、A150表现出显著的双线性力-应变特征。转变前有效弹性模量分别约为0.021、0.018和0.011 MPa，比硅橡胶本体模量（约2.28 MPa）低三个数量级。A90和A120的转变应变分别约为40%和74%施加应变，转变后模量升至约0.086和0.082 MPa，刚度比分别为4.2倍和4.5倍。A150的转变应变超过测试范围（>125%），全程保持0.011 MPa的模量，表明更大的θ2角显著延迟刚化起始。结构B的三种变体B23、B34、B45均表现出高度线性的力-应变响应（R2>0.97），弹性模量分别为0.287、0.163和0.081 MPa。B45的模量（0.081 MPa）约为A90转变前模量（0.021 MPa）的3.9倍，确保在A90+B45复合结构中，大部分全局应变在转变前集中于结构A。九种A-B组合的局部应变测量表明，在变形早期，低刚度结构A承载不成比例的大比例变形；A150+B45组合在125%总应变下，结构A局部应变达约104%。一旦超过转变阈值，结构A模量超过结构B，额外应变转向结构B，从而扩展全局应变窗口而不使传感器饱和。
2.3 超材料传感器的电学表征
对比了未图案化的普通裂纹传感器与四种剪纸裂纹传感器变体（R0.5、R0.65、R0.85、R1.25，对应不同狭缝长度a=4、5.2、6.8、10 mm）。普通传感器在约3%施加应变下即饱和（R/R0>67.25）；剪纸变体逐步扩展工作范围：R0.5在50%应变时R/R0=67.3，R1.25在125%应变时R/R0=62.0。每次范围扩展伴随灵敏度下降，体现传统结构方法的权衡。将R0.5、R0.65、R0.85传感器分别键合至A90+B45、A120+B45、A150+B45复合基底，形成三种超材料传感器，其有效感知范围均扩展至125%全局应变，范围比分别为2.5倍、1.9倍和1.5倍。在最大全局应变下，三种超材料传感器的最终R/R0分别为66.1、61.8和60.7，与对应独立传感器的饱和值（67.3、65.3、66.3）接近，表明传感元件在其设计应变窗口内工作且未达到检测上限。R0.5超材料传感器在47%施加应变时达到峰值归一化响应3.56倍（相对于R1.25参考），R0.65和R0.85超材料传感器分别在53%应变时达到3.06倍和1.79倍。超材料传感器的基线电阻R0=299.0±5.8 Ω，最大电阻Rmax=22.7±0.4 kΩ，可与惠斯通电桥集成用于低功耗可穿戴采集电路。耐久性测试表明，125%应变下十次循环加载无基线漂移；阶跃响应上升和恢复时间分别为108和150 ms；5000次循环后峰值R/R0在65.5至67.1之间波动，循环间标准差低于1.5%，无系统性能退化。
2.4 可穿戴运动监测应用
呼吸监测实验中，传感器附着于第六至第八肋骨水平的侧胸壁。静息坐姿时，普通传感器可清晰分辨每次呼吸的尖峰波形（R/R0幅度约40），超材料传感器和参考剪纸传感器均能检测呼吸节律。爬楼梯时，超材料传感器产生比参考传感器更高幅度的周期性信号。剧烈跑步时，普通传感器和独立R0.5传感器因胸壁大应变超出工作范围而饱和，出现超量程截断；超材料传感器和R1.25参考传感器保持可测范围，且超材料传感器输出幅度显著高于参考传感器，同时满足高灵敏度和宽量程需求。
膝关节康复监测中，康复阶段早期（活动范围约30–90°），超材料传感器产生比参考传感器更高幅度的波形；中期（约60–120°），独立R0.5传感器在峰值角度接近饱和，而超材料传感器继续产生未饱和的高幅度波形；晚期（约150°），独立R0.5传感器几乎在整个周期内饱和，超材料传感器成功跟踪所有膝关节屈曲周期，实现全治疗活动范围内的定量角度重建，无需更换传感器或重新校准。
五、讨论与结论
讨论部分指出，柔性电阻传感器中灵敏度-范围的权衡并非传感元件的固有物理极限，而是将应变输入视为给定值的结果。通过将设计焦点从传感器转移到基底，超材料平台从根源上解除了两项性能指标的耦合。A+B串联复合材料的非线性应变分配使传感器经历的应变历史在本质上区别于边界应变：转变前集中，转变后衰减。非线性指数分析表明，结构A与结构B之间的刚度对比是控制应变集中的主要手段，B45配置因最低模量而最大化转变前柔度比，产生最显著的非线性分配。这提供了简便的设计规则：选择A变体设定转变应变，选择B变体设定转变前集中程度，两者大体解耦，简化设计过程。灵敏度增强的幅度取决于传感元件的本征响应曲线陡峭程度；对于近线性响应的传感器，超材料基底的主要收益将是范围扩展而非灵敏度放大。实际生理监测中所需应变范围和灵敏度随用户活动状态或康复阶段变化，超材料传感器通过结构参数选择匹配应用的预期应变包络，避免了校准或传感器切换。当前局限在于小型化：结构A宽度（2 mm）是脱模过程中必须完整释放的最窄特征，需更高分辨率的制造工艺（如高分辨率或微注塑）以扩展至手指/手腕尺度应用。平台能否扩展至微型化几何、与有源电子集成或应用于电容式和压电式换能器仍有待探索。研究结论部分可翻译为：本文提出的结果表明，柔性电阻传感器的灵敏度-范围权衡并非传感元件的固有物理极限，而是源于将应变输入视为给定值。通过在基底层面重塑局部应变历史，超材料基底实现了高灵敏度与宽传感范围的同时获得，且该策略与材料无关，具有普适性。研究通过呼吸监测和膝关节康复跟踪验证了超材料传感器在实际可穿戴场景中的有效性，为下一代柔性应变传感器的力学设计提供了新范式。该工作发表在《GLOBAL CHALLENGES》期刊。
