柔性压力传感器是可穿戴电子、机器人与健康监测的基础元件，微结构可提升灵敏度，但均匀微结构受压时几乎同时变形，易非线性、提前饱和。为兼顾灵敏度与线性范围，近年转向梯度设计，让不同区域软硬不同、受压时依次变形。然而，CVD 浓度梯度、双层模具、激光多尺寸加工等现有路径，均受制于逐层均匀能量输入，难以在单一平面调控局部力学性能；超声虽可作打印能量源，但现有声打印（DSP/HDSP、DAVP/RAP）多面向纯树脂形貌或生物组织，尚未涉及性能梯度调控。
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”的文章。研究提出一种定向声学构筑（DAC）方法：以金刚石颗粒增强的 PDMS 复合材料为体系，利用超声空化在单一平面内一步写入弹性模量呈空间梯度的微结构，并将其用作柔性压力传感器的功能层。
这里选择金刚石，依据的不是硬度，而是声阻抗。金刚石声阻抗约 63×10⁶ kg·m⁻²·s⁻¹，PDMS 约 1.0×10⁶ kg·m⁻²·s⁻¹，悬殊失配会在颗粒周围形成局域声能集中，这是 Al₂O₃ 等常规增强相不具备的；同时金刚石弹性模量高、化学性质稳定，可在同一体系内拉开明显的力学梯度。体系以 Dow Corning SYLGARD 184 PDMS 为基体，增强相为羟基化 MBD-4 金刚石颗粒，粒径 1–180 μm、体积含量 10%。
声空化机制：一步完成引发、输运与键合
实验以微纳 3D 打印的氧化铝陶瓷模板为母版（柱状、半球状与锥状阵列），注入金刚石/PDMS 液态复合材料后，由固定在六轴机械臂上的换能器沿轨迹逐步诱导固化（轨迹不受平面堆叠限制，可在三维空间任意方向移动），脱模后得到复形阵列，全过程在 5 分钟内完成。
图1. DAC 制备金刚石/PDMS 复合功能层：(a) DAC 工艺流程；(b) 表面形貌。
固化的驱动力是超声空化。周期性声压场驱动空化气泡形成、振荡与溃灭，溃灭在局部释放能量，使溶剂分子裂解为高活性自由基引发聚合；同时产生指向壁面的微射流，把已聚合的微单元推向槽壁堆积。金刚石颗粒会放大这一过程。加入金刚石后自由基信号明显增强，相同条件下固化产物出现得更早。
图2. DAC 中声空化的物理效应：(a) 高速摄像区域示意；(b) 声空化行为示意；(c) 超声诱导固化过程的高速图像（功率 15 W）。
声空化还在金刚石与 PDMS 之间建立了化学键合。界面处 Si–H 与 –OH 峰减弱、Si–O 峰上升，说明表面羟基与 PDMS 经脱氢反应，把原本的弱物理吸附转为 Si–O 化学锚定。力学数据与之一致：超声固化样品界面结合紧密、颗粒被基体完整包覆，平均脱附力最高达 2.09 N，明显高于热固化与自然固化样品；后两者可见界面空隙。
梯度与器件：功率分区写入，微锥阵列检测
梯度来自超声功率对聚合网络的调控。研究将一块样品划分为四个区域，分别以递增的四档功率制备；功率升高时聚合反应增强，材料随之变硬。这一趋势在掺入金刚石后被放大，同一功率区间内，金刚石体系的转化率提升幅度明显高于纯PDMS 体系。结果是明确的力学梯度，在 0.05 N 载荷下，最软与最硬区域的应变分别为 68.08% 与 42.32%；区域间的变形差异随载荷升高进一步拉开。
图3. 金刚石/PDMS 复合功能层的性能梯度声学调控：(a) 声波诱导微结构梯度变形示意；(b) 不同弹性微柱的压缩与回弹过程；(c) 应力-应变曲线；(d) 力-应变曲线；(e) 不同载荷下的应变对比。
单个锥阵列的高速摄影给出了更直观的画面：分区施加不同功率的样品，六列变形依次递减、接触面积近似线性增长；整片以同一功率制备的样品则变形一致，接触面积变化有限。传感器以金刚石体系的梯度微锥阵列为功能层，依次叠置石墨烯/PDMS 导电层与导电织物电极层后封装。
在 0–2 kPa 低压区间，梯度微锥传感器灵敏度达 51.49 kPa⁻¹，线性度 0.9960，响应时间 71.04 ms、恢复时间 73.04 ms。需要说明的是，这比同为金刚石/PDMS 但弹性均匀的对照器件高 58.43%，并非对照纯 PDMS 器件。
提升来自接触面积的变化方式。各区域弹性不同，受压时变形呈梯度分布，总接触面积随压力线性增长；均匀阵列的接触面积增长则很快趋于有限。
图4. 柔性压力传感器传感性能：(a) 传感器制备与集成示意；(b) 压力传感机理；(c) 不同微结构功能层的相对电阻响应；(d) 不同梯度功能层的相对电阻响应；(e) Microcone-G 传感器响应速度；(f)–(h) 不同法向载荷下的三角波、矩形波与阶梯波信号；(i) 20–40 °C 下的相对电阻响应；(j) 切向力识别信号；(k) 循环响应稳定性。
除压力外，该传感器还可识别切向力，接触、保持与释放阶段的信号在多次循环中可逆且可重复。应用层面，该传感器最小可检测重量为 0.05 g，可记录脉搏、吞咽、握拳放松与发音振动，并连续记录 82 个呼吸周期；封装后在水中仍保持稳定输出。
边界与意义：从均匀输入到局域调控
这项工作的意义并不只在于把灵敏度提高了 58.43%。更重要的是，它验证了超声波可在单一平面内一步完成局部力学性能的定点写入，而不必回到重新设计模具几何那一步。
尺度上这条路也留有余地。除 200 μm 级阵列外，研究还用 38 kHz 换能器做出直径约 10 cm 的三级梯度件，耗时仍在 10 分钟内。
不过当前研究仍有明显局限。机械、物理、化学三种声学效应彼此耦合，论文指出要完整理解其协同机制仍需建立综合解析模型，这是作者明确的后续方向。
受高速摄像视场限制，作者在单个阵列中只取六列为代表，未能观测整体；论文也承认，模量成像一类的空间分辨力学表征是有价值的延伸工作——单结构内部的连续模量梯度目前仍是间接推断的。
总体来看，这项研究完成了从“均匀能量输入”到“局域性能调控”再到“器件性能提升”的关键衔接。
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