从应力到应变，厘清力学传感器分类框架

  应力与应变传感器是力学传感领域的核心测量技术，广泛应用于医疗健康、环境监测、航空航天和智能制造等方向。二者都用于表征材料或结构的力学响应，但对应的物理量并不相同：应力传感器主要测量内部的应力，应变传感器则对几何形变响应。由于力学传感通常涉及外部载荷传递、结构响应和信号转换等复杂过程，应力、应变以及压力传感器在实际研究中常被混用，进而造成性能评价、机制分析和器件设计上的误判。

  这种混淆在柔性电子、电子皮肤和软体机器人等领域尤为突出。例如，电子皮肤更强调接触力和压力分布的空间映射，而软体机器人更关注大变形状态下的实时运动监测。若无法判断传感信号主要来源于内部应力变化，还是来源于几何形变，就很难合理选择材料、设计结构或解释性能指标。同样，压力传感器虽然常被作为一类独立器件讨论，但压力本质上是作用于器件表面的外部法向载荷，其输出信号可能由应力场变化主导，也可能由形变响应主导。

  鉴于此，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）陈俊团队发表综述文章，系统梳理了应力传感器、应变传感器及压力传感器之间的联系与区别。文章从力学出发，围绕力学响应机制，对典型传感机制、材料体系、结构设计、性能评价、系统集成以及人工智能辅助信号处理等内容进行了系统总结，并建立了一套以力学为核心的统一分类框架，为力学传感器的设计、性能评价及应用选择提供了新的理论依据。

  2026年7月7日，文章以题为“Clarifying the landscape of mechanical sensors from stress to strain”发表在《nature sensors》上。论文第一作者为徐新凯博士生。

应力与应变传感器的定义

  应力和应变是描述材料力学响应的两个基本物理量。应力表示材料内部单位面积上的内力状态。在某一截面上，内力可分解为法向分量和切向分量，分别对应正应力和切应力，单位通常为 Pa。应变则表示材料在外力作用下产生的几何形变，是一个无量纲量，可由拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切等变形模式产生。二者都可以由外部力或位移引起，但对应的内部响应并不相同。应力传感器关注的是材料内部的应力变化。当外部载荷作用于器件后，材料内部会形成应力场，局部区域可能同时存在正应力和切应力，这些应力变化随后通过压阻、压电、磁弹等物理机制转换为可测量信号（图1a）。因此，应力传感器的核心在于捕捉内部力分布的变化。应变传感器关注材料内部的几何形变。外部力或位移会使材料局部发生长度变化，并可伴随相邻材料层之间的角度变化或相对滑移；前者对应正应变，后者对应切应变，二者共同构成局部应变场（图1b）。

  压力传感器则需要结合内部响应机制进一步理解。压力本身是作用在器件表面的外部法向载荷，其分类并不由“压力”这一外部输入本身决定，而取决于输出信号主要受内部应力变化控制，还是受形变诱导的应变响应控制。前者对应应力驱动型压力传感器，后者对应形变驱动型压力传感器（图1c）。因此，对压力传感器的理解不能停留在外部压力输入上，还需要判断其输出信号的主导力学来源。

图1｜应力与应变传感器工作机制比较

材料体系与结构设计方法的比较分析

  不同的传感路径来源于结构设计和材料选择的共同作用。结构决定外部力学输入如何在器件中传递、分布和转化，材料则提供电学、光学、磁学或声学信号转换的物理基础。因此，同一种材料或同一种传感机制，在不同结构中可能表现为应力主导响应，也可能表现为应变主导响应。

  在压阻传感中，应力型器件的输出通常来自材料内部应力状态对电阻率的调制，例如硅压阻器中，应力会引起晶格畸变并改变载流子迁移率（图2a(i)）；应变型器件则更多依赖宏观几何形变，例如导体拉伸后长度增加或导电网络重构，从而引起电阻变化（图2b(i)）。类似地，压容传感可通过压缩介电层实现应力响应，也可通过拉伸改变电极面积或结构尺寸实现应变响应（图2a(ii), b(ii)）。光机械传感则利用机械作用改变光传播路径或模式耦合，应力可诱导光纤弯曲和光泄漏，应变则可改变光程长度并调制光输出（图2a(iii), b(iii)）。

  摩擦电、压电和磁弹性效应进一步拓展了力学传感的自供能和多模态能力。摩擦电传感器依赖接触起电和静电感应，应力型结构可通过压力改变接触面积，应变型结构则通过拉伸改变层间距离（图2a(iv), b(iv)）。压电传感器通过机械作用调制极化状态，产生压电电荷并输出相应电信号（图2a(v), b(v)）；磁弹性传感器则通过改变磁性颗粒间距和取向来调制磁场信号（图2a(vi), b(vi)）。上述机制对应的代表性材料包括电阻材料、介电材料、光机械材料、摩擦电材料、压电材料和磁弹性材料，如 CNTs、PDMS、PMMA、PTFE、PVDF、PZT 和 NdFeB 等（图2c）。

图2｜材料体系、结构设计与传感机制比较

关键传感性能指标的比较分析

  应力和应变在量纲、物理含义和力学响应路径上均存在差异，因此两类传感器的性能评价也需要放在各自机制中理解。常见指标包括灵敏度、线性度、响应时间、迟滞、稳定性和重复性，但这些指标在应力传感器和应变传感器中的物理含义并不总是可以直接对应。

  灵敏度通常定义为输出变化量与输入变化量之比。对于应力或压力传感器，输入量通常是应力 σ 或压力 P，例如电阻式压力传感器可用相对电阻变化除以压力变化表示灵敏度，单位通常为 Pa^-1。对于应变传感器，输入量是应变ε，电阻式应变传感器常用无量纲的 Gauge Factor 表示（图3a）。因此，压力灵敏度和应变灵敏度虽然都反映输出对输入的响应斜率，但对应的物理输入、单位和评价语境不同，直接进行数值比较容易造成性能判断偏差。

  线性度用于描述传感器输出与输入之间的线性关系，通常以决定系数R2 表示（图3b）。在理想线弹性范围内，应力和应变可通过σ=Eε 建立联系，因此线性度具有一定比较意义；当材料进入非线性弹性、多物理场耦合或非力学场响应时，线性区间和控制机制会发生变化，比较范围也随之受限。

  响应时间表示加载后输出达到稳定信号一定比例所需时间，恢复时间表示卸载后信号回到初始状态所需时间（图3c）。两类传感器在响应趋势上可以比较，但具体数值受力学刺激形式、材料组成、结构设计和界面状态影响。迟滞则反映加载与卸载路径不重合所产生的历史依赖性（图3d）。应力传感器中的迟滞常与应力松弛、黏附迟滞、蠕变和塑性相关；应变传感器中的迟滞则多与聚合物黏弹性、填料网络重构和界面滑移有关。稳定性关注信号漂移、循环稳定和环境稳定（图3e），重复性则评价相同加载条件下输出曲线的一致性（图3f）。性能指标的意义来自具体力学输入、材料结构和传感机制，孤立数值不足以支撑可靠比较。

图3｜应力与应变传感器关键性能指标比较

力学传感系统中的系统集成与人工智能

  力学传感器从单一器件走向可部署平台时，系统级集成成为实现可靠信号采集、传输和解释的重要环节。完整的力学传感系统通常包括力学传感单元、传感前端、处理单元、存储单元、通信模块和电源模块（图4a）。力学刺激首先被应力或应变传感器转换为原始输出信号，随后经由读出电路、放大器、滤波与调理模块以及模数转换器进入数字处理环节。处理单元进一步完成数字预处理、特征提取和任务导向估计，存储模块保存缓冲数据、中间结果和算法参数，通信模块支持有线或无线传输，电源模块则通过能量采集、储能或外部供电维持连续运行。

  AI 可进一步增强力学传感信号的处理与解释能力。实际力学传感信号常受到漂移、噪声、运动伪影和环境扰动影响，AI辅助信号调理可用于漂移校正、降噪和伪影抑制。进一步地，AI还可从传感数据中提取有用特征，包括人工规则定义特征、监督深度学习特征以及自监督表征（图4b）。对于软材料传感系统中常见的黏弹性、迟滞和路径依赖行为，RNN、LSTM 等模型可描述历史相关的输入—输出关系；物理信息神经网络则可将力学方程和边界条件引入模型，用于推断内部力学状态或场分布。AI方法的可靠性依赖具有力学意义的校准数据，以及符合实际应用场景的动态训练策略。

图4 | 力学传感系统的系统集成与人工智能

应用场景比较：应力传感器

  应力传感器响应外部载荷，更适合内部压力、触觉输入、机器人抓握力和环境压力等应力主导场景。在生物医学监测中，应力传感器可用于眼压、颅内压、脉搏、胸腔压力、胃肠压力、骨筋膜室压力、步态压力和假肢接口载荷等测量（图5a）。例如，微创压力探针可连续监测眼内压力，离子型压力传感器可用于颅内压监测，多点鞋垫压力传感阵列可记录步态周期中的足底压力分布。

  在人机交互中，应力传感器可嵌入机器人夹爪、触觉VR手套、仿生机器人手和腿式机器人中，用于接触状态识别、抓握力检测、地形适应和冲击检测（图5b）。机器人夹爪中的压力反馈可区分接近、接触、抓取、抬升、下降和释放等动作阶段，为触觉交互提供信号基础。在结构与环境力学监测中，压力传感器可用于飞机机翼表面风压监测、树叶表面风速感知、车辆载荷监测以及船体拍击压力测量（图5c）。整体上，应力传感器更侧重载荷、压力和接触状态评估。

图5｜应力传感器的应用场景

应用场景比较：应变传感器

  应变传感器依赖几何形变，因此更适合皮肤、组织、关节、软体机器人和工程结构的变形监测。在生物医学监测中，集成于智能织物中的应变阵列可检测喉部振动并区分呼吸模式；贴附在喉部或皮肤表面的应变传感器可识别发声、手势和打字行为；无基底纳米网状应变传感器直接打印在皮肤上，可将表皮形变转换为电信号，并实现多关节形变解耦（图6a）。在深部组织和器官场景中，应变传感器可用于术后组织监测、脑皮层微小应变检测、肌肉拉伸监测以及心脏周期性形变记录。例如，可植入的应变传感缝线能够监测肌腱或韧带修复后的组织应变；贴附在脑皮层表面的传感器可捕捉血管搏动引起的微小表面应变；环形应变传感器可包覆心脏，记录心肌收缩与舒张过程。

  在人机交互与机器人领域，应变传感器可作为柔性结构的自感知单元。安装在柔性夹爪上的应变传感器可根据抓取过程中的变形判断物体属性；嵌入软体机器人后，可结合RNN 或 LSTM 模型实时推断运动状态；可穿戴应变传感手套则可捕捉多关节形变并重构三维手势（图6b）。在能源和结构健康监测中，应变传感器可检测锂离子电池中的局部形变差异，用于早期损伤定位；也可监测轮胎滚动过程中的周期性拉压变形，以及桥梁和建筑中的微小应变变化（图6c）。整体来看，应变传感器更适合形变测量、运动重构和结构损伤预警。

图6｜应变传感器的应用场景

总结与展望

  这篇综述从应力与应变的物理定义出发，系统阐明了应力传感器和应变传感器在测量对象、量纲、力学响应路径和性能评价方式上的差异，并进一步澄清了压力传感器的分类逻辑。统一框架将被测物理量、材料体系、结构设计、信号转换机制、性能评价和应用场景连接起来，使相似传感机制能够依据主导力学输入和信号调制方式进行区分。

  未来，力学传感的发展将从单一性能指标提升，转向面向具体应用的力学设计。在电子皮肤、机器人力感知和人机交互中，受控载荷传递和应力场调制有望提升空间力映射、接触状态估计和触觉交互能力；在软体机器人、可穿戴运动监测和组织形变监测中，稳定的大应变信号转换将有助于本体感知反馈、运动重构和长期生物力学监测。同时，长期部署还需要传感单元、前端读出、通信、电源管理和数据处理模块之间更紧密协同。AI辅助处理可用于信号补偿和状态估计，但其可靠性仍依赖力学意义明确的校准数据和面向实际应用的动态训练。通过连接物理定义、器件设计、性能评价和应用实施，该框架有望推动力学传感平台朝着工作原理更清晰、读出更可靠、适用场景更广的方向发展。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s44460-026-00090-8

作者简介：

  陈俊教授，加州大学洛杉矶分校（UCLA）生物工程系终身教授，生物电子实验室创始人，国际顶尖材料科学家，连续6年入选全球高被引学者，H指数达140。他的研究专注于柔性材料和生物电子器件。他已出版两本书籍，发表了420篇学术论文，其中310篇为通讯作者，发表于包括《Nature Materials》（4篇）、《Nature Electronics》（12篇）、《Nature Biotechnology》（2篇）、《Nature Chemical Engineering》（2篇）、《Nature Sensors》（2篇）、《Nature Nanotechnology》（2篇）、《Nature Cardiovascular Research》（1篇）、《Nature Biomedical Engineering》（2篇）、《Nature Review Bioengineering》（3篇）、《Nature Communications》（14篇）、《Science Advances》（8篇）、《Chemical Reviews》（2篇）、《Chemical Society Reviews》（2篇），等顶级期刊。此外，他还提交了18项美国专利申请，其中2项已授权。他被Web of Science评为全球材料科学领域最具影响力的研究人员之一。在学术成就方面，陈博士荣获了多个重要奖项，包括美国医学与生物工程学会会士、UCLA 塞缪尔工程学院每年仅颁发一位的V.M. Watanabe杰出研究奖、美国材料研究学会MRS杰出青年科学家奖、ACS Nano Lectureship、Shu Chien早期职业奖、英国皇家化学协会Stephanie L. Kwolek奖、美国亚裔科学与工程学院AAASE新星奖、Hisako Terasaki 青年创新奖、美国机械工程协会新星奖、BMES CMBE新星奖、UCLA杰出导师奖、UCLA Hellman学者、佐治亚理工40 Under 40杰出校友奖、美国海军研究办公室（ONR）青年研究员奖、美国心脏协会（AHA）早期独立研究奖、AHA创新项目奖、AHA变革性项目奖、UCLA美国国立卫生研究院转化科学奖、脑与行为研究基金会（BBRF）青年研究员奖、大川基金研究奖、Advanced Materials新星奖、Materials Today新星奖、Chem. Soc. Rev. 新兴研究员奖、Nano Research青年创新者奖、ACS PMSE青年研究员奖以及2019-2024全球高被引科学家等多项荣誉。除了研究工作，陈教授还担任《Med-X》的执行主编，《Biosensors and Bioelectronics》的领域编辑、以及《MRS Communications》、《Soft Science》、《Iontronics》、《MRS Communications》、《FlexMat》、《cMat》和《Textiles》等期刊的副主编。同时，他还是包括《Matter》、《Materials Today》、《Materials Today Energy》、《Cell Reports Physical Science》、《The Innovation》、《Nano-Micro Letters》、《Nano Trends》和《Biomedical Technology》等在内的20多个期刊的顾问及编辑委员会成员。

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