29万字！吉林大学任露泉院士团队Materials Today顶刊长篇综述：仿生增材制造触觉传感系统的机制、材料、工艺
在人形机器人、可穿戴医疗设备及人机交互技术快速发展的驱动下，触觉传感技术正经历爆发式增长，呈现万亿美元蓝海市场。然而，现有传感器在灵敏度、多维度力解耦能力与鲁棒性等关键性能上仍远逊于生物系统。历经数百万年进化，生物体已逐步优化其触觉感知系统，使其能在复杂动态自然环境中高效获取信息并作出响应。仿生学作为创新的不竭源泉，持续为科学家带来远超现有技术的启发。然而，传统制造技术在复制生物体固有的多层级异质微结构方面存在显著局限。增材制造凭借其自下而上的材料沉积方式——模拟自然生长过程——已成为构建复杂仿生传感结构的革命性工具。近年来，众多研究者基于增材制造技术开发了高性能仿生触觉传感系统。尽管已有进展，实现商业化并释放其应用潜力仍需待关键突破。
仿生触觉感知为触觉传感系统设计提供了创新思路，同时对复杂结构的制备提出了更高要求。传统触觉传感器制造方法如光刻、模板法、层层自组装与激光直写等存在生产周期长、工艺步骤繁琐、环境污染等问题，难以复现生物触觉系统的精密功能架构。近年来，增材制造技术的快速发展为仿生触觉传感系统的制备提供了有力技术支撑。通过多喷嘴打印、双光子聚合、嵌入式打印等新兴技术，增材制造正快速向多材料集成、精细特征分辨率与结构复杂化演进，为构建具备多尺度、多功能、多材料、高精度、低成本及可定制特性的仿生触觉传感器提供了可行路径。增材制造可作为阐释生物感知特性与机制的有力工具，推动将自然策略转化为仿生触觉传感系统的优化制备工艺。因此，通过将仿生原理与先进增材制造技术相融合，触觉传感器有望在结构复杂性上实现突破，并在整体性能上获得跨越式提升（图1）。
本文全面综述了人类、动植物的触觉感知机制与结构特征，并探讨如何利用增材制造技术构建仿生触觉传感系统。具体聚焦于人类机械感受器、信号转导机制与神经反馈过程（图2）。为阐明动植物触觉传感系统的多样性与独特性（图3），选取代表性物种详解其触觉感知机理（图4）。
本文首次全面总结生物触觉感知机制，为人工触觉系统在复杂场景下实现仿生级感知性能提供理论基础与设计参考。系统归纳了仿生增材制造触觉传感系统常用材料，包括绝缘聚合物、导电聚合物、金属材料、碳基材料及压电材料等，总结了复合材料的组合策略和设计原则，并详细讨论了通过复合材料设计实现梯度模量、自愈能力和环境响应性的最新进展（图5）。并从增材制造技术角度（如直写成型、熔融沉积、光固化处理等）详述仿生触觉传感系统的制备工艺、适用性、优缺点及研究进展。
同时总结了各应用领域（如先进机器人、信号监测、人机交互、加密通信、深海探测、临床医学等）中仿生增材制造触觉传感系统的代表性研究进展。
最后，探讨了增材制造触觉传感系统面临的挑战与前景，提出通过深化生物触觉机理研究与优化增材制造工艺应对当前传感系统的挑战。
本综述为设计基于仿生增材制造的触觉传感系统提供了重要的理论基础与工程实践指导。
本研究系统构建了仿生增材制造触觉传感系统的跨学科技术体系，通过整合生物触觉机制、先进材料与增材制造工艺，突破了传统传感器在结构仿生与功能集成方面的瓶颈（图6）。
研究揭示了人类、动植物多层次感知机制的生物原理，确立了从生物原型到仿生设计的映射规律；同时阐明了增材制造在实现多材料、跨尺度仿生结构制造中的独特优势，为高性能触觉传感器的设计与制备提供了系统框架。
未来研究将聚焦以下方向：一是深化生物触觉机制解析，融合神经科学与人工智能，揭示多模态信息编解码与反馈机制，实现从结构仿生到功能‑系统仿生的跃升；二是突破增材制造工艺瓶颈，发展跨尺度、多材料兼容的集成制造系统，实现仿生传感结构的高精度、一体化成型；三是推动“感知‑决策”闭环智能系统构建，结合嵌入式信号处理与机器学习算法，提升系统在复杂环境下的自适应与认知能力。
李冰倩，女，唐匡青年学者，副教授，博士生导师，1994年11月生人，英国曼彻斯特大学联合培养博士，吉林大学本硕博连读学生，师从任露泉院士。2021年8月入职吉林大学鼎新学者博士后，合作导师为任露泉院士。长期从事仿生3D/4D打印智能驱动和柔性传感领域研究，发表国内外高水平SCI论文30余篇，其中以第一/通讯作者身份发表SCI论文18篇，其中包含Materials Today 、Advanced Functional Materials、Additive Manufacturing等中科院1区top期刊9篇，申请发明专利6件。主持国家自然科学基金青年基金、博士面上、吉林省青年成长计划、国家军科委等省部及以上项目6项，经费合计235.5万元。Advanced Bionics青年编委，吉林大学优秀博士后获得者。
任雷，男，英国曼彻斯特大学终身教授，国家特聘教授，教育部重大人才工程讲座教授，吉林大学唐敖庆讲座教授、仿生健康学科带头人，现任国际生物医学工程学会（BMES）理事及英国区域主席、国际仿生工程学会（ISBE）副秘书长、国际机构学与机器科学联合会（IFToMM）英国区秘书长等职务。长期从事人体科学、仿生机器人和仿生康复机械系统研究，主持中英国家级项目30余项，在国际学术期刊发表论文300余篇，公开和授权国际、中国发明专利200余项。研究成果被Nature, Science News, BBC等国际媒体报道，在国际、中国的著名企业获得转化应用，产生了显著经济和社会效益，获国家和省部级科技奖励6项，推动了机器人、康复器械、生物医学、仿生健康等领域的关键技术突破和产学研用合作创新水平。
王坤阳，男，吉林大学唐敖庆青年学者/教授，英国曼彻斯特博士，国家重点研发计划青年科学家，兼任国际仿生工程学会ISEB青委会副秘书长、Journal of Bionic Engineering和IEEE ICRA 2024领域副主编。长期从事仿生机器人学的理论、技术与应用领域研究，近五年主持国家重点研发计划、领域基金、国家自然科学基金等国家和省部级项目10余项，总经费2000余万元，以第一/通讯作者在IEEE T-IE、IEEE T-NSRE、Materials Today、Additive Manufacturing、ASME-JMR等期刊发表SCI论文30余篇，其中ESI高被引4篇、热点2篇，授权中国、美国、欧盟、英国等发明专利20余件，获省部级技术发明一等奖2项，入选国家高层次留学人才、吉林省优青等，受邀在仿生、机器人等领域会议作大会主旨、特邀报告5次。