一、研究背景

生物神经系统能以极低功耗完成高保真感知与信息处理。受启发的神经形态（neuromorphic）触觉系统，可将传感信号在本地直接转化为脉冲频率编码，实现边缘计算，并为假肢、软体机器人及生物-电子接口提供新思路。然而，现有人工传入神经（AAN）多聚焦于慢适应Ⅰ型（SA-I）受体（静态压力），对能感知皮肤拉伸、负责本体感觉的慢适应Ⅱ型（SA-II）受体报道极少；此外，多组件异质集成仍依赖手工，制造通量低、可重复性差。因此，亟需开发可拉伸、低迟滞、电阻变化跨 6 个量级的 SA-II 受体材料，并与振荡电路一体化，实现自动化、可快速原型化的三维人工传入神经。

二、研究内容

本研究提出“混合 3D 打印”策略：在单一平台上完成多材料直写与贴片封装，将高性能硅基环形振荡器与可拉伸负阻复合材料（NPC）异构集成，制备出仿生 SA-II 人工传入神经。

• 1. 材料设计：在聚氨酯丙烯酸酯（PUA）弹性体中加入尖刺镍颗粒与增塑油（邻苯二甲酸二辛酯），利用量子隧穿效应实现负泊阻（拉伸→电阻骤降）；油分子润滑颗粒间摩擦，使动态范围提升至 >50 % 应变，循环迟滞显著降低。
• 2. 打印工艺：开发 4 种兼容墨水——软基底、硬基底、导电互连、NPC 传感，通过多喷嘴直写+负压拾放，实现异质基底-传感-电路-芯片一体化 3D 成形。
• 3. 电路原理： NPC 作为可变电阻 R₂ 接入环形振荡器 RC 反馈环路；拉伸时 R₂ 骤降 → RC 时间常数减小 → 输出方波频率从 0 增至 ~100 Hz，而幅值恒定于 5 V，完美复现生物动作电位的“幅值不变、频率随刺激增强”特性。
• 4. 系统验证：将打印的 AAN 贴附于软体气动执行器表面，充气拉伸时频率同步上升， deflate 后归零，实现闭环本体感知。

图 1 | 生物 SA-II 传入神经 vs 人工 SA-II 传入神经设计概念

图 2 | NPC 负阻复合材料的电-机械性能调控（镍含量、油含量、交联密度）

图 3 | 打印人工 SA-II 受体的循环稳定性、刺激选择性与分级响应

图 4 | 环形振荡器 RC 电路设计与频率-电阻对应关系

图 5 | 异质基底应变工程与可拉伸导电互连表征

图 6 | 混合 3D 打印流程与 SA-II AAN 在软体机器人上的实时拉伸感知演示

三、研究结论

• 首次采用混合 3D 打印实现可拉伸、低迟滞、电阻变化跨 6 个量级的 SA-II 人工传入神经一体化制造。
• 提出的“负阻传感 + 环形振荡器”架构，可在 0–50 % 拉伸范围内输出 0–~100 Hz 方波，幅值恒定，完美模仿生物动作电位频率编码。
• 系统与软体气动执行器无缝集成，实时反馈充气应变，验证了其在软体机器人本体感知与假肢闭环控制中的应用潜力。
• 混合 3D 打印具备模块化、多材料、三维成型能力，未来可扩展压力、温度等多模态传感，为下一代神经形态触觉皮肤提供可扩展、可定制的制造平台。

四、论文信息

题目：Hybrid 3D printing of bio-inspired artificial slowly adapting type II afferents
期刊：Nature Communications (2025) 16: 8513
作者：Mina Lee, Michael Sotzing, Jue Wang, Alex Chortos
通讯地址：School of Mechanical Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN, USA
DOI：10.1038/s41467-025-63470-7
开放获取：Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License