《Materials & Design》：Sensor-integrated TPU soft actuators fabricated by foam additive manufacturing
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为了解决传感器集成软体执行器在轻量化、电机械一致性及规模化制备方面的挑战，研究人员利用泡沫增材制造（FAM）技术，以炭黑填充热塑性聚氨酯（TPU）为原料，制备出兼具结构柔性与压阻传感功能的轻质执行器。研究通过优化工艺参数实现了高达42.2%的密度降低，并获得了稳定、可重复的压阻响应。其指关节与类手指样机在抓取实验中展现出优异的柔顺性与实时阻力反馈能力。此项工作为一体化多功能软体机器人、假肢及可穿戴系统提供了全新的材料与制造路径。
自然界中，多孔的蜂窝结构（如骨骼、鸟喙）被广泛用于以最少的材料实现高效的力学性能，这种策略启示了工程师们去开发兼具轻质与功能性的合成泡沫材料。在软体机器人、假肢和可穿戴设备领域，人们一直追求能够同时实现驱动、变形和感知的“智能”材料。传统的导电聚合物复合材料通常面临着一个两难困境：为了提高传感性能而加入导电填料（如炭黑CB、碳纳米管CNT）往往会导致材料变硬，牺牲了作为软体执行器核心的柔顺性；而通过设计填充图案（Infill）在宏观尺度引入孔隙以实现轻量化，又常常造成电机械响应的各向异性和不可重复性。过往关于发泡聚乳酸（PLA）的研究虽然实现了密度降低，却未能集成传感功能；而传统的导电TPU则多局限于实心或填充结构，其电机械一致性不佳。那么，能否找到一种方法，在保持材料柔顺性的同时，直接“打印”出集成了传感功能的轻质执行器呢？这正是发表于《Materials 》上的最新研究致力于解决的核心问题。
为了回答上述问题，研究团队采用了几项关键技术方法。核心方法是泡沫增材制造（Foam Additive Manufacturing, FAM），这是一种基于材料挤出（Material Extrusion, MEX）的工艺。研究人员首先将含有炭黑的导电TPU长丝在高压反应釜中与物理发泡剂（二氧化碳CO2）进行饱和，通过精确控制溶解和脱附时间，使长丝吸收气体。随后，在挤出打印过程中，压力骤降和温度升高触发气泡成核与生长，从而在打印出的长丝内部形成均匀的微孔泡沫结构。通过系统调节挤出温度、速度和喷嘴直径等参数，研究人员得以控制泡沫的形态、密度和膨胀比。此外，研究还采用了扫描电子显微镜（SEM）对泡沫微观形貌进行表征，并利用万能试验机结合四线制数字万用表，同步测试样品在压缩载荷下的应力-应变曲线和电阻变化，以评估其压阻行为。研究制作了三种对比样件：FAM工艺制备的TPU泡沫样件、100%实心填充的TPU实体（Bulk）样件，以及通过调整蜂窝状填充百分比使其总质量与泡沫样件匹配的TPU填充（Infill）样件。
3.1. 指节单元测试
研究人员首先对单个类指关节（Phalanx）样件进行了压缩测试，比较三种结构的机械与电学响应。力学测试表明，TPU泡沫和TPU填充样件表现出相似的初始弹性行为，但均比实体样件更柔顺。实体样件在较低应变下即进入塑性变形，显示出更高的刚度。关键区别在于重复性：泡沫样件的应力-应变响应具有很高的一致性，而填充样件则因内部结构各向异性而表现出显著的测试间变异性。在电学响应方面，三种样件在压缩下电阻均急剧下降，但泡沫样件表现出最低的基线电阻和最稳定的压阻响应曲线。实体样件虽然理论上导电通路更连续，但其电阻下降趋势更平缓且变异性更高。这表明，泡沫引入的微孔结构不仅减轻了重量，还通过促进导电颗粒在变形下的重新排列与接触，形成了更稳定、各向同性更优的导电网络。
3.2. 手指组装测试
研究进一步将多个指节组装成完整的类手指软体执行器原型，并评估其在肌腱驱动下的弯曲抓取性能。运动轨迹分析显示，泡沫和填充样件的手指具有相近且比实体样件更宽泛的弯曲轨迹，表明其关节柔顺性更高。然而，填充样件在完全弯曲后无法恢复至初始伸直状态，出现了永久变形（塑性形变），而泡沫样件则保持了良好的形状恢复能力。这归因于泡沫的微孔结构（典型孔尺寸约0.05毫米）比填充结构的大尺寸蜂窝孔（约0.5毫米）更能均匀分布应力，避免局部过度应变。在抓取实验中，研究人员监测了手指在抓握和释放物体过程中的整体电阻变化。电阻随手指弯曲而逐渐下降，这被解释为关节区域受压导致内部导电网络优化。特别值得注意的是，当被抓握物体发生滑脱时，电阻信号出现一个尖锐的峰值。这一特征表明，导电泡沫材料具备实时检测物体抓握状态甚至预测滑脱的潜力，为实现闭环控制的智能抓取提供了可能。
4. 讨论
研究人员通过隧道-渗流模型对观察到的电阻-应变关系进行了解释。该模型表明，在压缩过程中，导电颗粒（炭黑）之间的平均距离缩短，提高了电子隧道效应的概率，从而降低电阻。研究进一步将孔隙的影响纳入模型，发现孔隙率水平相同的情况下，孔隙的微观结构（尺度与分布）对电学响应有决定性影响。具有细小均匀微孔（泡沫）的结构，比具有大而不连续孔洞（填充）的结构，能提供更密集、更各向同性的导电接触点网络，从而表现出更高的隧道效应系数和更稳定、灵敏的压阻响应。这从理论层面支持了泡沫结构在集成传感方面的优势。
5. 结论
本研究首次证明了利用FAM技术直接从导电TPU材料一步制造多功能软体执行器的可行性，成功地将结构柔顺性与原位传感功能集成于单一材料体系中。通过优化工艺参数，实现了高达42.2%的密度降低，并获得了稳定、可重复的压阻响应。相较于传统的实心或填充结构，FAM制备的TPU泡沫在保持高柔顺性的同时，提供了更优异且一致的电机械传感性能。在器件层面，类指节和类手指原型验证了这种材料能够实现驱动、柔顺和感知的一体化，并能提供实时反馈，甚至检测物体滑脱。这项工作为软体机器人、假肢和可穿戴系统领域需要一体化、梯度化及多功能结构的应用，奠定了一种颠覆性的材料与制造策略基础。
