液態(tài)金屬（LM）表現(xiàn)出與金屬相當?shù)母邔щ娦院驮醋云湟簯B(tài)獨特的可變形性，因此被認為是高性能軟電子器件的有前途的材料。然而，快速圖案化液態(tài)金屬以實現(xiàn)高靈敏度傳感系統(tǒng)仍然是一個挑戰(zhàn)，這主要源于其較差的流變性和潤濕性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，浙江工業(yè)大學（Zhejiang University of Technology）和科羅拉多大學波德分校（University of Colorado Boulder）的研究人員聯(lián)合報道了一種液態(tài)金屬的流變改性策略和應變再分布機制，以簡化可擴展的制造工藝并顯著提高液態(tài)金屬傳感器的靈敏度。

通過將SiO?顆粒摻入液態(tài)金屬中，LM-SiO?復合材料的模量、屈服應力和粘度顯著提高，從而能夠在用于可拉伸電子器件的軟材料上進行3D打印?；诖蛴M-SiO?復合材料的傳感器具有優(yōu)異的機械柔性、魯棒性、應變和壓力傳感性能。這種傳感器可以集成到可穿戴設備中，用于人體的不同位置。相關研究成果以“Deep-learning-assisted printed liquid metal sensory system for wearable applications and boxing training”為題發(fā)表在npj Flexible Electronics期刊上。

可打印的液態(tài)金屬傳感器和具有拳擊識別功能的觸覺手套

在這項工作中，研究人員采用鎵銦合金（Ga:In = 75:25 wt%）作為導電液態(tài)金屬，在液態(tài)金屬中加入不導電的SiO?顆粒以改變其機械和電學性能。采用6 μm和40 μm兩種不同尺寸的SiO?顆粒用于液態(tài)金屬復合材料。流變學測試表明，隨著SiO?質量分數(shù)的增加，兩種液態(tài)金屬復合材料的平均彈性、振蕩屈服應力、剪切屈服應力和1 s?1下的粘度均增加。增加的彈性模量、剪切應力和粘度使復合材料能夠在擠壓后保持形狀，使其可3D打印。

LM-SiO?復合材料的流變學測試及3D打印

為了進一步定量評估LM-SiO?微粒復合材料的電學和機械性能，將圖案化的復合線連接到銅帶上，然后用Ecoflex封裝以組成傳感器件。該應變傳感器可以扭曲、卷曲、拉伸而不會對器件造成任何損壞，具有良好的機械柔韌性和拉伸性。由于液態(tài)金屬應變傳感器具有機械柔韌性、在小應變和大應變下的高靈敏度以及極寬的傳感范圍，因此可以用作人體可穿戴設備，實時監(jiān)測不同位置的細微運動和大幅運動。液態(tài)金屬應變傳感器放置在人體的眼睛、脖子、手指和膝蓋上，以檢測人體的各種動作。

液態(tài)金屬傳感器的應變傳感

此外，通過將3D打印的液態(tài)金屬傳感器集成在觸覺手套上，應變和壓力傳感的協(xié)同效應可以解碼拳擊訓練中的握拳姿勢和擊打強度。在深度學習算法的輔助下，這款觸覺手套可以實現(xiàn)對拳擊技術的識別，例如刺拳、揮拳、上勾拳和組合拳，準確率達90.5%。

深度學習輔助的觸覺手套的拳擊識別

總而言之，研究人員通過對液態(tài)金屬的有效流變改性和SiO?顆粒的應變再分配機制，開發(fā)了一種具有高靈敏度和良好機械性能的可打印液態(tài)金屬傳感器。SiO?微粒的加入增加了液態(tài)金屬的彈性模量、粘性模量、屈服應力和粘度，這使得能夠通過3D打印快速定制和可擴展地制造基于改性液態(tài)金屬的軟電子產品。作為概念驗證演示，多功能傳感器被集成到觸覺手套上，以解碼拳擊訓練中的握拳姿勢和擊打力量。在深度學習算法的輔助下，這款觸覺手套能夠識別不同的拳擊技術（刺拳、揮拳、上鉤拳和組合出拳），識別準確率為90.5%。機械和電氣性能的結合以及在可穿戴系統(tǒng)中的演示，表明液態(tài)金屬傳感器在智能運動訓練、機器人操作和人機界面等各種應用領域具有巨大的潛力。

審核編輯：劉清