柔性压力传感器在可穿戴电子、健康监测、人机交互和软体机器人等领域具有重要应用。然而，传统传感材料的高灵敏度要求低杨氏模量，而宽检测范围要求高承载能力，二者难以兼顾。机械超材料可借助晶胞设计独立调控力学性能，理论上可以解耦这些内在耦合的力学参数，从而同时实现低模量和高承载力。但现有多稳态、折纸类拓扑结构超材料形变路径不可控，载荷检测结果不稳定。同时，常规机械超材料的应力、电信号曲线易出现波动、突变、拐点等问题，无法形成稳定单调的载荷-信号响应，不能直接用作压力传感器。因此，如何设计既能解耦力学参数、又能提供稳定且单调的力-电信号输出的超材料，成为该领域的关键挑战。
二、【创新成果】
基于此，华中科技大学张光祖教授、张耀教授与美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授联合在Science上发表了题为“Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing”的论文，报道了通过结构梯度与模量梯度的双梯度设计，首次在单一压力传感器中同时实现超高灵敏度（~320 mV/kPa） 和超宽检测范围（1.3 Pa ~ 3.45 MPa），从根本上解决了传统传感器灵敏度与检测范围相互制约的难题。该机电铁电体嵌入3D打印聚合物骨架，实现自供能压电响应，且具备单调、连续的力-电信号输出。实验展示了机器人手可感知从柳絮（90 Pa）到软木（1.32 GPa）的宽范围物体刚度，并成功应用于食品新鲜度监测与地形识别。该设计彻底打破传统压力传感器灵敏度与检测范围此消彼长的固有局限，为高性能无源压力传感材料提供了全新的结构设计方案。
三、【图文解析】
图1 支柱晶格（SL）、板状晶格（PL）和混合晶格（HL）三种材料的设计 ©2026 AAAS
图2 支柱晶格（SL）、板状晶格（PL）和混合晶格（HL）和梯度晶格（GLS）的结构、力学及压电响应 ©2026 AAAS
图3 梯度晶格（GLS）和双梯度晶格（DGL）结构的机械和压电响应 ©2026 AAAS
图4 基于DGL的机电超材料的应用 ©2026 AAAS
四、【科学启迪】
综上，研究人员结合了有限元分析，设计了基于十四面体框架的基本晶格结构和梯度超材料，并通过数值模拟研究它们在载荷下的力学响应以及力电耦合行为，并采用增材制造技术来实现这些计算优化得到的结构。在数字光处理中使用的树脂配方，可以调控3D打印聚合物的杨氏模量跨越近四个数量级，并确保足够高的电击穿强度，以便对负载有分子铁电晶体的复合材料进行极化，从而诱导出压电性能。本研究开发的梯度超材料解耦了相互依存的力学属性，实现了高承载能力与低模量的组合。此外，它们还促进了在加载过程中变形模式的自适应且受控的转变，产生可预测且单调的机械载荷-电信号相关性，从而满足传感需求。同时具备晶格结构和杨氏模量双梯度的力电超材料，实现了低检测限、高灵敏度以及跨越六个数量级的检测范围，由此解决了传统压力传感器中灵敏度与传感范围之间的固有折衷。通过从几何和结构上调控微结构单胞与三维架构，并结合功能单元的集成，本研究可能为开发多种响应性超材料（例如光-机械、热-机械和磁-机械超材料）提供一条新路径。
原文详情：Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing (Science 2026, 392, 1177-1182)
本文由赛恩斯供稿。
