一、研究背景

1. 可穿戴电子与物联网快速发展，压电传感器因自供电、信号稳定成为前沿技术，但传统压电材料刚性大，难以适配复杂形变场景。

2. 可拉伸压电传感器虽具备高柔性、宽量程、高耐用性，但柔性基体引入会降低应力传递效率，压电单元均匀排布易产生"死区"，灵敏度受限。

3. 液态金属EGaIn兼具高导电与超拉伸特性，是理想可拉伸电极材料，但其高表面张力与氧化层导致精准打印困难。

4. 拓扑优化可优化结构应力分布，提升压电单元应力利用率，为解决可拉伸传感器性能瓶颈提供新思路。

二、研究内容

2.1 拓扑优化压电单元布局

采用计算机辅助拓扑优化+有限元分析，针对拉伸、扭转两种各向异性形变，对多孔PZT压电陶瓷在Ecoflex基体中的排布进行84组迭代优化。

优化目标：最大化压电单元应力与压电电势；约束条件：对称排布、单元间距合理、设计空间规整。

Figure 2 拉伸与扭转形变下拓扑优化迭代的有限元分析结果

2.2 液态金属EGaIn电路精准打印

开发直写式(DIW)3D打印工艺，建立剪切驱动打印理论模型，精准预测打印状态（准确率94.7%）与线宽（误差<15%）。

打印参数：挤出速度、打印速度、打印高度协同调控；EGaIn氧化层维持形貌，临界剪切应力决定打印连续性。

Figure 3 EGaIn电极电路打印机理分析与参数优化

Figure 4 EGaIn电极电路的电学与机械性能

2.3 传感器制备与性能测试

选用50vol%孔隙率PZT陶瓷，平衡灵敏度与机械稳定性；将拓扑优化PZT单元与EGaIn电路集成，Ecoflex封装制备可拉伸传感器。

测试模式：压缩、拉伸、扭转；优化后传感器拉伸灵敏度14.0 V/应变，扭转灵敏度0.10 V/度，较未优化分别提升59.2%、92.4%。

Figure 5 可拉伸传感器电学性能与优化对比

2.4 仿生多通道颈部运动监测

仿蝴蝶翅膀对称分区结构，设计三通道传感器：中部监测屈伸，左右翼监测扭转，通过多通道信号区分运动类型与幅度。

Figure 1 多通道可拉伸压电传感器设计与性能

Figure 6 仿生结构传感器颈部运动监测设计与应用

三、研究结论

• 拓扑优化使传感器拉伸最大压电电势提升103.5%，扭转提升59.7%，显著优化应力传递路径。
• EGaIn直写打印模型精准可控，电路经22000次60%应变拉伸，电阻变化仅0.11%，稳定性优异。
• 优化传感器在拉伸、扭转、压缩下均具备高灵敏度与耐用性，适配复杂各向异性形变监测。
• 仿生蝴蝶多通道传感器可精准识别颈部屈伸、旋转运动及幅度，在可穿戴医疗监测、人机交互领域应用潜力巨大。

四、论文信息