西安交大邵金友团队Device：面向高灵敏度应变原位检测的定域传感裂纹共形转印技术 | Cell Press对话科学家

物质科学

Physical science

柔性应变传感技术因其轻量化、可穿戴性和系统集成优势，在结构健康监测、人机交互及仿生电子皮肤领域展现出重要应用价值。基于裂纹扩展机理的应变传感器通过监测导电材料在应变作用下裂纹形貌演变引发的电阻变化，为实现微应变高精度检测提供了创新解决方案。然而，在面向复杂曲面结构的高灵敏度应变监测应用场景中仍面临挑战。

近日，西安交通大学邵金友团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Conformal in situ strain monitoring enabled with transfer-printed ultrathin customized-crack sensing network”的研究论文。

该研究提出一种基于应变工程和共形转移印刷策略的超灵敏、可共形定域裂纹应变传感技术。通过微结构设计实现裂纹形貌的可控制造，使传感器具备超低监测限（0.001%）、超高灵敏度（GF：2282）和优异稳定性（10000次循环）。无基底超薄设计（14μm）结合转移印刷技术，实现了传感器与复杂曲面的共形集成及强界面附着。实验表明，该传感器可精准监测人体生理信号（脉搏、吞咽等）及装备结构健康状态（叶片振动、冲击定位等），在可穿戴电子和轻量化结构健康监测领域展现出重要应用价值。

文章亮点

基于应变工程和共形转移印刷策略，提出一种超灵敏、可共形的定域裂纹应变传感技术。

提出了定域裂纹的可控制造方法，传感性能可通过灵活设计微结构参数按需调控。

可共形转印到复杂装备结构表面，具有强界面附着力，实现可靠、精确的应变监测。

文章简介

柔性应变传感技术因其轻量化、可穿戴性和系统集成优势，在结构健康监测、人机交互及仿生电子皮肤领域展现出重要应用价值。基于裂纹扩展机理的应变传感器通过监测导电材料在应变作用下裂纹形貌演变引发的电阻变化，为实现微应变高精度检测提供了创新解决方案。然而，在面向复杂曲面结构的高灵敏度应变监测应用场景中仍面临如下问题：

1. 微裂纹形态的随机性（裂纹的宽度、深度和密度）给传感器的性能一致性和可控调节带来了挑战；

2. 传统基底支撑型传感器依赖粘接剂进行表面贴附，由于基底-功能层间的模量失配，将引发显著的应变传递损耗效应。同时，长期循环应变可能引起接触界面分层，甚至导致传感器的脱落，严重制约微应变的准确测量。

为了实现高灵敏度、共形性和长期稳定性的兼顾，作者基于应变工程和转移印刷策略，提出了一种具有高共形性和稳定粘附性的超薄定域裂纹应变传感网络，用于高灵敏和轻量一体化的装备表面应变监测。

1. 共形定域裂纹传感网络的设计与制造

如图1所示为超薄定域裂纹传感网络的设计原理与灵敏度增强机制。基于应变工程原理，研究团队提出通过局域化应变调控实现裂纹敏感结构定域制造，显著提升了传感灵敏度和稳定性。结合柔性转移印刷策略，实现了传感网络在复杂三维复杂曲面的共形集成。无基底的轻质设计(14μm)有效地提高了应变的传递效率，进一步提高了裂纹传感器的传感性能。同时，共形转印原位制造方法增强了传感器的附着强度，赋予传感器传感稳定性和长期监测能力。

图1 共形定域裂纹传感网络的设计原理和传感机制

2. 定域裂纹结构表征和性能可调控设计

为克服循环形变引发随机裂纹生成的技术瓶颈，作者提出一种定域裂纹生成策略，基于微通道的约束效应和应力集中结构，诱导嵌入式多壁碳纳米管(MWCNTs)产生均匀的定域裂纹。通过转移印刷技术，将MWCNTs导电网络转移至目标表面，提高传感器的灵敏度。此外，作者证明通过调整优化结构参数，能够实现裂纹密度与形貌特征的可控调节，为定制化应变传感提供了技术支撑。

图2.定域裂纹结构与性能调控设计

3. 共形定域裂纹传感网络应变感知性能

作者系统表征了该传感网络的应变响应特性（图3）。传感器对能够对各个水平的应变做出稳定的响应，展现出超低的监测限（0.001%）、超高的灵敏度（GF：2282）和长期稳定性（10000次循环性能稳定）。动态测试表明，传感器在5-960 Hz的超宽频率范围内保持稳定响应，且展现出较高的信噪比水平。

4. 人体可穿戴传感

在人体可穿戴应用验证中，通过医用敷料辅助转印技术实现了传感网络与人体表皮的高共形集成。实验结果表明，器件可准确检测吞咽与眨眼等应变信号。同时，所制备的高灵敏裂纹传感网络能够用于监测脉搏的应变变化，实现动脉僵化程度的量化评估，提供个人心血管健康的重要信息。

5. 基于原位转印传感网络的结构健康监测

在工业监测领域，作者通过使用高强度粘合剂，将定域裂纹传感网络进行原位转印至装备关键结构件表面，用于实现高精度结构健康监测。为实现制造标准化，作者研究了转印时施加的压力与粘合层厚度之间的关系，并展示了所使用粘合剂对不同表面的粘合强度，确保共形传感网络在长时间工作下的性能稳定。实验证明，曲面集成传感器能够监测发动机叶片模型的工作状态和外部冲击，并实现结构件表面的冲击定位，在轻量一体化结构健康监测领域展现独特优势。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请邵金友副院长进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

邵金友副院长：

具有出色共形性的柔性器件可以无缝粘附在目标表面，从而实现复杂三维表面的高精度应变感知。然而，构建兼具高灵敏度与传感稳定性的共形应变传感器仍存在挑战。针对这一技术瓶颈，我们提出基于应变工程调控的超薄定域裂纹传感网络，实现了曲面共形性、高灵敏度和长期稳定性的兼顾。通过转移印刷技术，该高灵敏传感网络可共形制造于各种复杂表面，成功应用于人体微应变检测、发动机叶片工况监测以及外部冲击定位等典型测试场景。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

邵金友副院长：

在本文的研究中，均匀定域裂纹的可控生成与无损转印是保障传感一致性的核心难点。常规裂纹结构易于随机扩展，给传感稳定性和精度带来严峻挑战。鉴于此，我们采用高精度纳米压印技术和约束填充方法，在导电网络中设计应力集中微结构，实现了裂纹结构的定域生成，同时利用柔性模版共形接触转印实现了定域裂纹结构的高保真转印制造，应用于装备复杂曲面共形传感。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

邵金友副院长：

我们团队下一步将基于所提出的高灵敏定域裂纹生成策略，探索其在多功能柔性器件和系统集成的应用，深入挖掘应变工程策略在调控柔性传感器性能上的潜力。同时，拓展转印技术在复杂曲面传感网络批量制备中的工程化应用，重点突破人机交互界面与可穿戴医疗设备中的关键技术难题。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Device来发表这个工作的原因？

邵金友副院长：

本研究选择Device作为成果发表载体，源于其独特的跨学科定位——作为Cell Press旗下聚焦变革性器件创新的旗舰期刊，Device始终致力于推动基础研究与实际应用的深度融合，这与本工作突破柔性传感技术瓶颈、开发新型柔性传感器件的研究目标高度契合。结合团队在微纳制造技术与柔性电子技术领域的持续创新，此项研究有望为医疗康复及工业监测领域提供创新解决方案。

论文作者介绍

陈小亮

研究员

陈小亮，西安交通大学特聘研究员，博士生导师，主要从事微纳制造、智能感知与可穿戴电子方面的研究工作，主持国家自然科学基金、装备预研共用技术项目、军委科技委创新特区项目、国家重点研发计划子课题等多项国家/省部级项目。以第一及通信作者在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等国际知名期刊发表论文20余篇，担任Microsystems & NanoEn-gineering、Soft Science青年编委，入选陕西省高层次人才特支计划青年拔尖人才、国家博士后创新人才支持计划，获教育部自然科学一等奖、陕西省自然科学一等奖等科技奖励。

邵金友

副院长

邵金友，西安交通大学科研院常务副院长、国家杰出青年基金获得者，陕西微纳制造与智能感知创新团队学科带头人，担任国家第六次科技预测（2020-2035规划）先进制造领域专家、十四五国家重点研发计划“高性能制造技术与重大装备”重点专项指南专家等。主要从事微纳制造、电子皮肤与可穿戴电子、生物仿生与软体机器人等方面的研究工作。主持国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划重大集成项目、国家重点研发专项、装备预研共用技术等重大项目；在Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano等国际高水平期刊发表论文160余篇论文；授权国家发明专利60多项，美国专利2项；获国家教学成果二等奖、教育部自然科学一等奖、陕西省自然科学奖一等奖等教学科研奖励。

许晋滨

博士研究生

许晋滨，2023年在厦门大学获得学士学位，目前在西安交通大学前沿科学技术研究院攻读博士学位，主要从事微纳制造技术、可穿戴电子等领域的研究。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Device，

▌论文标题：

Conformal in situ strain monitoring enabled with transfer-printed ultrathin customized-crack sensing network

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2666998625000419

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100728

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