柔性電子器件因其優(yōu)異的柔順性和可拉伸性，能夠與人體皮膚及復(fù)雜曲面穩(wěn)定貼合，在醫(yī)療健康、人機交互、軟體機器人和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。其中，曲率作為描述彎曲變形的關(guān)鍵物理量，是實現(xiàn)精準動作識別與控制的重要基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有曲率傳感策略主要依賴可拉伸應(yīng)變傳感器或非拉伸型曲率傳感器，前者在實際穿戴過程中易受摩擦與滑移干擾而產(chǎn)生不可校準誤差，后者則因缺乏拉伸能力而難以滿足柔性與舒適性需求。

近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所蘇業(yè)旺研究員團隊提出了一種基于波浪形對稱疊層結(jié)構(gòu)（Wave-shaped Symmetrical Laminated Structure, WSSLS）的可拉伸曲率傳感器，在實現(xiàn)可拉伸性的同時，在結(jié)構(gòu)層面有效實現(xiàn)了彎曲與拉伸信號的解耦。

2025 年 12 月 16 日，該研究論文以「Stretchable curvature sensors for motion capture with bending-stretching coupling deformation」為題發(fā)表在國際期刊《Advanced Science》上。論文第一作者為中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究生王泰然，通訊作者為蘇業(yè)旺研究員。合作者包括力學(xué)所研究生徐新凱、李爽、藍昱群、陳凱、博士后李偉、航天科技五院王光遠研究員、余快研究員、力學(xué)所孫立娟副研究員。

該曲率傳感器的核心在于其創(chuàng)新設(shè)計的 WSSLS 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由上下對稱分布的波浪形金屬導(dǎo)電層與波浪形聚乙烯基底組成，并通過柔性封裝形成整體器件（圖 1）。不同于傳統(tǒng)單側(cè)波浪結(jié)構(gòu)在拉伸或彎曲過程中不可避免地產(chǎn)生彎拉耦合響應(yīng)，WSSLS 利用幾何對稱性與雙層響應(yīng)差異，在彎曲加載時產(chǎn)生同幅值異符號的應(yīng)變響應(yīng)，而在拉伸加載時產(chǎn)生相互抵消的對稱變形，從而在電信號層面實現(xiàn)彎曲信號的純輸出（圖 1d）。針對波浪形三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定制備的問題，研究團隊提出了一種曲面光刻（Curved Surface Lithography）工藝，將傳統(tǒng)平面光刻與熱塑成型相結(jié)合，在曲面基底上直接制備無初始應(yīng)力的波浪形金屬導(dǎo)電層（圖 1c）。

圖 1. 可拉伸曲率傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、實物展示與工作原理。(a) 可拉伸曲率傳感器的結(jié)構(gòu)分解示意圖。(b) 制備完成的曲率傳感器的光學(xué)照片。(c) 波浪形金屬導(dǎo)電層及其對應(yīng)聚乙烯（PE）基底的三維數(shù)碼顯微鏡圖像。(d) 傳感器彎曲 – 拉伸解耦機理示意圖。

該方法有效避免了先金屬成形后彎曲成波浪過程中產(chǎn)生的裂紋與失效問題，顯著提升了器件的一致性與可靠性。在理論分析方面，研究團隊建立了 WSSLS 的力電耦合模型，系統(tǒng)推導(dǎo)了傳感器輸出信號與曲率之間的解析關(guān)系，明確揭示了幾何參數(shù)對靈敏度和彈性范圍的影響（圖 2）。

圖 2. 波浪形對稱疊層結(jié)構(gòu)（WSSLS）的理論建模與有限元分析。

有限元模擬結(jié)果與理論分析高度一致，驗證了模型的準確性與適用性。實驗結(jié)果表明，該傳感器在彎曲加載下呈現(xiàn)出高度線性的電學(xué)響應(yīng)，而在拉伸加載下輸出信號幾乎不發(fā)生變化，充分證明了其彎拉解耦特性。在性能驗證中，該曲率傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，包括高線性度、高重復(fù)性和快速動態(tài)響應(yīng)。器件能夠分辨低至 0.004 mm-1的微小曲率變化，并在 2000 次以上循環(huán)加載過程中保持穩(wěn)定輸出（圖 3）。同時，由于其對稱結(jié)構(gòu)特性，傳感器還具備壓力和溫度自補償能力，在外界壓力和溫度變化條件下仍可維持準確的曲率測量。

圖 3. 基于 WSSLS 的曲率傳感器電學(xué)性能表征。(a) 曲率傳感器的彎曲實驗示意。(b) 曲率傳感器的拉伸實驗示意。(c) 曲率傳感器相對電壓變化隨施加曲率和拉伸應(yīng)變的變化關(guān)系。(d) 動態(tài)性能測試原理示意圖。(e) 在曲率臺階加載為 0.004 mm-1 條件下的相對電壓變化響應(yīng)。(f) 曲率為 0.01 mm-1 時的快速響應(yīng)特性。插圖為響應(yīng)和恢復(fù)階段的局部放大圖。(g) 在曲率為 0.06 mm-1 條件下，曲率傳感器經(jīng)歷 2000 次循環(huán)加載的電學(xué)穩(wěn)定性。(h) 在 1000 次循環(huán)加載過程中，相對電壓變化與施加曲率之間的關(guān)系。(i) 彎曲 – 拉伸耦合變形測試示意圖。(j) 在拉伸與彎曲耦合變形條件下的相對電壓變化響應(yīng)。(k) 傳感器壓力自補償能力的驗證實驗。(l) 不同外加壓力條件下的電阻變化。(m) 傳感器溫度自補償能力的驗證實驗。(n) 不同溫度條件下的電阻變化。

在應(yīng)用展示方面，研究團隊將該傳感器集成至智能手套中，用于實時獲取手指關(guān)節(jié)曲率并進行手勢識別（圖 4a）。在模擬皮膚-織物界面摩擦與滑移的條件下，與傳統(tǒng)可拉伸應(yīng)變傳感器相比，該曲率傳感器的測量誤差降低了 93.6%，顯著提升了穿戴場景下的可靠性（圖 4b,c）。基于該系統(tǒng)，研究人員實現(xiàn)了對六足機器人和機械手的手勢控制，驗證了其在復(fù)雜人機交互與遠程操作中的應(yīng)用潛力（圖 4d-g）。

圖 4. 基于可拉伸曲率傳感器的手勢識別與機器人控制應(yīng)用。(a) 曲率傳感器在智能手套上的集成布局。(b) 在存在界面摩擦與滑移條件下，可拉伸應(yīng)變傳感器的理論與實驗結(jié)果對比。(c) 在存在界面摩擦與滑移條件下，可拉伸曲率傳感器的理論與實驗結(jié)果對比。(d) 四種典型手勢及其對應(yīng)的實時曲率信號。(e) 基于手勢控制的六足機器人迷宮行走實驗。(f) 四種控制指令對應(yīng)的手勢：左轉(zhuǎn)、前進、后退和右轉(zhuǎn)。(g) 基于手勢控制的機械手抓取危險物體實驗。

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/advs.202514779

審核編輯 黃宇