突破触觉极限！中国科大Nature Materials：让机器人拥有媲美人类指尖的触觉！

纳米人

2026-03-19

如何让机器人拥有媲美人类指尖的触觉？中国科学技术大学贠国霖特任教授与剑桥大学Tawfique Hasan教授合作，在柔性传感领域取得重大突破。团队通过多尺度力学结构设计，开发出基于石墨烯-液态金属协同复合材料的微型化三维力传感器阵列，其性能全面超越现有技术。相关成果以“Multiscale-structured miniaturised 3D force sensors”为题，于近日登上材料学顶刊《自然·材料》（Nature Materials）。                 

迈向人类指尖般的三维触觉

人类的指尖能够精准感知压力、剪切力、振动和纹理等多种触觉信息，这得益于皮肤中密集分布的四种机械感受器及其复杂的信号处理机制。在智能机器人、精密医疗和可穿戴设备快速发展的今天，让机器人或假肢拥有媲美人类的三维触觉，进而感知滑动、粗糙度等复杂接触信息，是实现其与物理世界安全、灵巧交互的核心挑战（图一）。然而，现有传感器难以在微小尺寸下实现高精度三维力检测。尽管近年来各种柔性触觉传感器发展迅速，却无法兼顾高传感性能与精准的三轴力解耦（区分力的xyz三轴分量）能力，更无法在微米尺度上复现人类指尖的触觉感知精度。

为突破这一困境，研究团队通过多尺度力学结构设计，成功开发出基于石墨烯-液态金属各向异性多孔复合材料的微型化三维力传感器阵列。该传感阵列不仅具有宽量程范围内120 kPa^-1的高线性灵敏度（R²>0.998）、百微米级空间分辨率、和可检测一粒沙子的低触发力，更通过仿皮肤真皮层锥体结构实现了三维力方向的精准解耦，为下一代人机交互与精密操作提供了突破性解决方案。

多尺度复合材料设计：各向异性超高灵敏度

研究团队首先聚焦于材料创新，将多刺镍微米颗粒、多层石墨烯纳米片和液态金属微液滴复合于多孔PDMS基体中，并通过磁场诱导镍颗粒定向排列，得到具有动态各向异性固-液导电网络的各向异性多孔弹性体（图二A）。材料变形时，液态金属作为动态网络的核心随基体变形，并保持与周围导电颗粒的接触；超薄的石墨烯纳米片则作为导电网络的柔性桥梁。

通过引入孔隙结构，复合材料的各向异性结构使材料沿镍颗粒链的对准方向（0°）的电导率比垂直方向（90°）高出24倍，灵敏度更是高出数百倍（图二B）。这种差异源于各向异性多孔结构对不同方向变形的差异化响应——沿0°方向压缩时,镍颗粒间距减小导致电阻骤降，多孔材料的低模量进一步放大了材料的力灵敏度；而90°方向压缩时孔隙吸收了大部分变形，保持电阻稳定。这种“定向敏感”特性解决了柔性传感器易受干扰的一大难题。

仿生金字塔传感器：线性化响应与三维力解耦

金字塔结构：几何补偿破解非线性难题

图三、（A）仿真皮层的传感器结构设计和（B）传感器的电导-压力响应曲线

受人体表皮的波浪状界面启发（图三A），团队设计了类似金字塔形的传感器单元。该结构通过几何补偿克服了弹性材料固有的非线性响应：复合材料本身具有非线性电导率-应变曲线，这使得柔性传感器往往线性度不佳。而金字塔尖端在微压力下剧烈变形，接触面积随压力扩大导致结构硬化，从而实现可调节的非线性应力-应变关系。两种非线性响应耦合，巧妙地获得了线性的电导率-压力关系——传感器在500 kPa检测范围内R² > 0.998（图三B）。

镍颗粒表面纳米刺的量子隧穿效应、各向异性的颗粒网络、互联的微米孔隙、以及金字塔的应力集中效应，这些多尺度结构协同作用实现了传感器122.7 kPa^-1的极高压力灵敏度。

基于结构设计的三维力解耦

更核心的突破在于传感器的三维力解耦能力。金字塔结构在法向力下，底面产生对称的偶函数压力分布；在剪切力下，则产生反对称的奇函数压力分布（图4A）。通过在传感器底部镀四个对称电极测量压力，即可实时计算法向力（正比于压力均值）和切向力（正比于压力梯度）的大小与方向（图四B）。实验结果显示，传感器的力方向测量误差<3°，力大小误差<3.1%。此外，传感器还能通过摩擦力变化导致的剪切力突变检测滑动，并通过滑动中的电位波动幅度线性估计表面粗糙度（R² = 0.96）（图五）。

从单元到系统：机器人智能操作与微尺度感知

为验证实际性能，研究团队集成了4单元传感器阵列于机械臂夹爪（图六A）。在纸筒抓取任务中，传感器以11 mN的微小接触力触发抓取，并通过剪切力测量物体重量（7.3mN，约0.74g，误差3%），实现了微小力触发的无损抓取。相比之下，商用传感器触发力过大，导致识别抓取时纸筒变形。

图六、（A）安装三维力传感阵列的机械臂。（B）机械臂实现铁块的智能转移。

在未知物体和未知环境操作任务中，安装传感器阵列的机械臂抓取未知物体并转移到未知高度平台上。三维力传感器实时识别铁块的接触和夹持力不足时的滑动（t1，图六B），自主调整夹持力度实现动态防滑；同时通过力方向变化计算物体重量和摩擦系数，并根据切向力的变化识别铁块接触平台，自动释放物体（t3，图六B）。整个智能转移过程体现了传感器在未知环境中的强大适应能力。

进一步地，团队开发了单元尺寸仅200 μm的微型传感阵列（图七），其最低检测极限（触发力）仅为一粒沙子的重量（μN级），远超世界先进水平。通过与微小物体接触时的三维力分布，微传感器阵列成功展示了对不同金属球的尺寸和密度识别。该微传感器为微操作机器人提供了超越人体皮肤的触觉感知能力。

总结与展望：迈向电子皮肤的未来

本研究通过多尺度材料力学结构、仿生力解耦结构与微型化设计，成功开发了高灵敏度、线性度与微型化的三维力传感阵列。传感器的高性能为机器人触觉、智能假肢和微型机械臂的环境交互提供了新方法。未来通过将单元尺寸缩小至50 μm以下，并集成温湿度传感功能，这类传感器有望在机器人触觉、仿生皮肤等领域开启更多可能性。

该研究得到中国科学技术大学人形机器人研究院重点课题（YD2090002022）和英国皇家学会牛顿国际学者项目（NIF\R1\211458）资助。论文第一作者为中国科大工程科学学院贠国霖特任教授，通讯作者为贠国霖和剑桥大学Tawfique Hasan教授。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02508-7

作者简介：

贠国霖博士现任中国科学技术大学近代力学系特任教授，博士生导师，海外优青。2017年本科毕业于中国科学技术大学，2021年博士毕业于澳大利亚伍伦贡大学。曾任英国剑桥大学皇家学会牛顿国际学者、高级研究员。主要研究液态金属多尺度结构复合材料，及其在先进力学测量、自感知调控、和柔性电子设备中的应用。迄今出版著作章节1部，发表SCI论文40余篇（其中在Nat. Mat., Nat. Commun., Sci. Adv., Matter, AFM, Adv. Sci., IEEE TRO 等期刊发表一作、通讯论文16篇），引用2000余次，h指数22。团队长期招收研究生与博士后（联系邮箱：ygl@ustc.edu.cn，个人主页：https://faculty.ustc.edu.cn/yunguolin）。