压电材料是受到压力作用时会在相对表两端面间产生出现电压的晶体材料。压电材料存在于现有各种传感器当中，在换能器、传感器、驱动器、声纳、手机和机器人等方面有普遍应用。然而，压电材料面临的一大挑战是难加工、脆性、重量大、设计和操纵的难度高。

　　为解决上述挑战，美国弗吉尼亚理工学院的一个研究团队首次打破这一局限，提出可任意设计、可快速打印的压电三维材料，实现电压在任意方向可被放大，缩小，及反向的特性。 其成果发布在2019年1月21日的《Nature Materials》上。

　　他们的设计方案来源于利用压电效应产生的晶格原理并打破晶格的局限性，通过三维几何构型在二维投影面的投影的分布，巧妙的设计出在各个方向具有不同压电输出的人工压感结构。该设计理念巧妙的联想于人们熟悉的影子木偶游戏。 该单元人工晶格结构，通过排列组合，构成了三维桁架式立体结构。通过设计和机电耦合有限元计算，实现在三个坐标方向上具有不同的对称性从而产生任意压电系数空间方向张量，实现远超过晶体本身的对称分布。他们通过使用不同连接度的设计单元进行组合， 还可使一完整结构同时具有不同的刚度和强度特性，实现力电多功能压电耦合材料。

　　通过电压激活后，该团队设计和制造出了一系列新型智能材料。该三维材料可具有任意形状，任意内部结构复杂度，并且每一个节点，单元和材料本身任意部位均具有压电感应功能，无需任何附加传感器即可实现电压输出。 该团队开发了该材料的多种潜在应用，他们做出了柔性压电材料，将材料附着在任意曲面上探测压力，将材料打印成指环感应手指弯曲力。同时他们打印出轻质，坚硬的吸能材料，该压电材料可实时探测到表面受到的冲击同时将吸入的能量实时检测出。

　　由于这种智能材料各个部位均具有压电感应，其打印制成的三维结构将无需任何附加传感器，并探测出任意位置的压力或震动。为实现这一特性，该团队打印出智能桥梁结构，该结构能够在无任何附加传感器条件下实现灵敏探测任意位置上的扰动和撞击。而在现有传感技术和结构损伤检测当中，则需要在各个位置上布满大量的压电传感器来实现。现有传感器技术中，对于复杂结构的测量，则需通过复杂算法优化计算，最终来决定传感器阵列的布置。这种自感应三维材料通过任意部位的压电结构材料，首次解决了这一难题 。

　　通过人工晶格设计制成的压电超材料，可以很灵巧的实现矢量探测传感功能。通过排列组合预先设计的压电系数，可将不同的电压符号作为二维码来实现任意位置机械波和力的大小以及方向的自行测量。该团队进一步展示了压电超材料的功能设计及其自行压力传感器的功能并展望了其在矢量传感器、水下探测、生物及汽车安全防护传感器均的应用。