广工大王成勇教授团队最新机械顶刊IJMTM，实现声制造微结构调控新突破

随着可穿戴设备、机器人触觉系统和智能健康监测技术的发展，柔性压力传感器不仅需要灵敏捕捉微弱外力，还需在不同压力水平下保持稳定、连续的信号输出。通过在传感材料表面构建微柱、半球或圆锥等结构，可增强外力作用下的接触变化，从而提高检测灵敏度。然而，当各微结构具有相近的力学响应时，它们往往难以随载荷增加形成有序的变形过程，导致传感器的线性度与灵敏度受限，难以兼顾微力识别能力与有效测量区间。针对这一问题，赋予微结构不同的刚度，使其能够随外力增加依次发生形变，为优化传感性能提供了新的设计思路。然而，现有3D打印、模板成型及激光加工等制造方法受限于逐层均匀的能量沉积，难以根据局部需求直接调控材料内部的聚合与交联状态。因此，探索一种能够在单一平面内实现微结构力学性能空间差异化灵活调控的方法，是该领域长期以来面临的核心难题，对提升柔性传感器综合性能具有重要意义。

近日，广东工业大学王成勇教授团队在机械工程领域顶级期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上发表题为“Directed acoustic construction and modulation of microstructures with spatially graded properties"的原创性论著。该研究提出“定向声学构筑"（Directed Acoustic Construction, DAC）策略，揭示了微结构的声波梯度性能调控机制，实现了微结构力学性能的空间梯度按需调控，为高性能柔性传感、超材料及仿生结构等功能器件的定制化制造提供了全新方法，该成果是国家自然科学基金原创探索计划项目及其延续资助项目的重要产出。论文第一作者为广东工业大学吴丹丹博士，王成勇教授为通讯作者。

传统逐层制造工艺受制于均匀能量沉积的特点，所制备的微结构的力学性能较为均一，难以在同一平面内实现按需、灵活的性能调控，这也成为限制柔性传感器件性能进一步提升的核心瓶颈。针对该问题，本研究提出的DAC技术直接利用灵活可控声场，可直接实现材料的空间梯度性能定向调控：利用超声诱导产生的声机械效应、物理效应与化学效应协同作用，在材料局部区域形成高能作用区，仅需5min即可一步制备出具备空间局域弹性模量梯度的金刚石/PDMS微结构阵列。实验中，研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术 （microArch® S230，精度：2μm）打印出模板，声波直接作用于模板内的树脂材料，可直接构筑出微柱、圆锥、圆点等多种微结构阵列。不同于传统制造依赖能量逐层累加的固有方式，该策略能够实现全自由度连续调控与力学性能的空间按需定制，达成复杂构件从设计、制备到性能调控的一体化集成。

进一步地，该研究揭示了声学构筑微结构的成型作用机制，定向声学构筑的基本原理主要是源于声波引发的声物理、化学与机械效应的协同作用（图2）。其中，引入金刚石颗粒为本研究的核心创新之处。金刚石属于高声阻抗材料，添加金刚石颗粒能够强化声学物理、机械及化学效应。具体地，金刚石颗粒可通过声波散射与衍射作用提升局部声强与压力，进而增强声空化效应以及由其诱发的自由基聚合反应，扩大声波的梯度性能调控范围，从而实现对材料内部聚合转化率与交联密度的精准调控，最终达成空间局域力学性能的定制化调控（图3）。

利用金刚石颗粒协同调控机制，研究人员进一步开展梯度性能调控方法研究（图4）：通过调节超声功率，实现对金刚石/PDMS复合材料内部聚合与交联过程的梯度调控。超声作用产生的空化效应及局部声能增强，能够促进乙烯基与Si–H键之间的氢硅化反应，并加速乙烯基官能团的聚合，从而调节分子链之间交联点的形成及交联网络密度。与此同时，金刚石颗粒作为增强相，能够通过声波散射与局部能量集中增强声学作用，促进材料内部的聚合反应。研究发现，粒径为1μm的金刚石颗粒因具有更高的单位体积颗粒数量和更大的比表面积，表现出更显著的促进作用。在超声功率由5W增至17.5W的过程中，复合材料的乙烯基和Si–H官能团转化率逐渐提高，交联密度和交联程度也随之增加。基于这一机制，研究人员采用四个不同超声功率等级，在材料内部构建了具有空间梯度的聚合与交联网络，为进一步调控复合材料的弹性及形变特性奠定了基础。

利用DAC制备的梯度性能微结构的梯度形变特性，研究团队进一步开发了一种高性能柔性压力传感器，并揭示了梯度性能结构的力传感机理（图5）。由于微结构内部具有不同区域的弹性响应能力，在外界压力作用下能够实现逐级变形，从而提升传感器在低压力范围内的响应能力。实验结果表明，力传感器在0–2 kPa范围内灵敏度达51.49 kPa⁻¹，较常规性能均一传感器提升58.43%，线性度高达0.996，能够有效实现检测脉搏、吞咽、呼吸以及机械振动等微弱生理信号的实时监测。该成果建立了以声波作为精准调控能场的高性能器件制备新方法，拓展了声制造技术在柔性传感方向的创新应用场景，为超材料、柔性传感器、仿生结构等功能器件的性能按需设计提供了新的技术途径。

总结：本成果是声直接制造理论在微结构精密构筑领域的重要延伸，进一步开发了声波与热固性材料之间的相互作用机理研究。研究阐明了声物理、化学及机械效应的协同调控机制，并在此基础上揭示了金刚石颗粒对声学效应的增强与调制机理，将声直接制造理论的应用范畴从宏观热固性材料成型拓展至复合材料微结构的按需设计与制备，为推动声直接制造理论向精准可控方向发展提供了重要的实验依据与理论支撑。此外，研究团队通过精准调节金刚石/PDMS复合微结构的局部弹性模量，将声直接制造方法拓展至柔性压力传感器应用。未来，该技术有望进一步拓展至智能机器人、超材料及仿生结构等领域，为功能器件的结构设计与力学性能按需定制提供新的制造思路。