觸覺傳感器在機器人技術、義肢、可穿戴設備及健康監測中已變得不可或缺。這些裝置能夠通過檢測和轉換壓力或力量為電信號，使機器和醫療工具能更準確地對環境做出反應。多年來，研究人員一直致力於擴展感測範圍並提高靈敏度。其中一個有前景的方向是機械超材料，這些材料展現出傳統材料所無法具備的獨特性質。
在這些機械超材料中，具負泊松比的機械超材料（Auxetic Mechanical Metamaterials, AMMs）尤為突出。這類材料在受到壓縮時可以實現內縮和局部應變集中，這種反直覺的特性使其在先進感測應用中非常具吸引力。儘管AMMs擁有潛力，但在實際應用中卻面臨著可製造性和整合性等挑戰，這使得其在現實系統中難以大規模採用。
來自首爾科技大學的研究團隊最近在此領域取得了重大進展。該團隊由Mingyu Kang和Dr. Soonjae Pyo領導，開發了一種基於3D AMM的觸覺感測平台。他們的研究顯示，使用數位光處理（DLP）技術進行3D打印的立方晶格，內含球形空隙，能夠開啟新的設計可能性。該團隊在電容式和壓電式感測模式下測試了其3D打印的超材料。前者通過改變電極間距和介電分佈來感測壓力，而後者則通過載荷下碳納米管塗層的電阻變化來進行感測。
Kang解釋道，這種獨特的負泊松比行為使材料在壓縮時能夠內縮，從而在感測區域集中應變，提升靈敏度。他指出，“超材料設計在三個方面增強了傳感器性能——通過局部應變集中提高靈敏度、在封閉結構中保持穩定性，以及最小化感測單元之間的串擾。”他還補充道，與傳統多孔結構不同，這種設計避免了橫向擴展，使其更具可穿戴性並不易受到干擾。
該團隊通過兩個示範驗證了這一概念：一個是用於空間壓力映射和物體分類的觸覺陣列，另一個是可穿戴的鞋墊系統，能夠監測步態模式並檢測過度內翻的類型。根據Dr. Pyo的說法，這個傳感器平台可以應用於多個領域，從用於步態監測的智能鞋墊到精確物體操作的機器手，以及能夠在日常活動中輕鬆追蹤健康狀況的可穿戴系統。他表示，“超材料結構即使在堅固外殼中，如鞋墊層內，也能保持靈敏性和穩定性，而傳統多孔晶格通常在這種情況下會降低性能。”他進一步指出，該設計的可擴展性和兼容性使其“適合用於壓力映射表面、康復設備以及需要高靈敏度和機械穩定性的人工智能和人機交互接口。”
展望未來，這些基於超材料結構的3D打印觸覺傳感器可能會改變可穿戴電子產品的面貌。它們提供持續、高保真的人類運動、姿勢和健康指標的監測，且具備的適應性和不依賴特定材料的特性，為義肢、醫療應用及沉浸式觸覺系統的個性化傳感器開啟了新大門。隨著增材製造技術的普及，研究人員相信可定制的觸覺界面將很快成為消費產品、醫療設備及機器人技術中的標準，為下一代智能、響應快速的系統鋪平道路。這些研究結果已發表於《Advanced Functional Materials》。
