液態(tài)金屬（LM）表現(xiàn)出與金屬相當(dāng)?shù)母邔?dǎo)電性和源自其液態(tài)獨(dú)特的可變形性，因此被認(rèn)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(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感系統(tǒng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，這主要源于其較差的流變性和潤(rùn)濕性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浙江工業(yè)大學(xué)（Zhejiang University of Technology）和科羅拉多大學(xué)波德分校（University of Colorado Boulder）的研究人員聯(lián)合報(bào)道了一種液態(tài)金屬的流變改性策略和應(yīng)變?cè)俜植紮C(jī)制，以簡(jiǎn)化可擴(kuò)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(guò)將SiO?顆粒摻入液態(tài)金屬中，LM-SiO?復(fù)合材料的模量、屈服應(yīng)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(jìn)行3D打印。基于打印LM-SiO?復(fù)合材料的傳感器具有優(yōu)異的機(jī)械柔性、魯棒性、應(yīng)變和壓力傳感性能。這種傳感器可以集成到可穿戴設(shè)備中，用于人體的不同位置。相關(guān)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(shí)別功能的觸覺(jué)手套

在這項(xiàng)工作中，研究人員采用鎵銦合金（Ga:In = 75:25 wt%）作為導(dǎo)電液態(tài)金屬，在液態(tài)金屬中加入不導(dǎo)電的SiO?顆粒以改變其機(jī)械和電學(xué)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?gòu)?fù)合材料。流變學(xué)測(cè)試表明，隨著SiO?質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，兩種液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料的平均彈性、振蕩屈服應(yīng)力、剪切屈服應(yīng)力和1 s?1下的粘度均增加。增加的彈性模量、剪切應(yīng)力和粘度使復(fù)合材料能夠在擠壓后保持形狀，使其可3D打印。

LM-SiO?復(fù)合材料的流變學(xué)測(cè)試及3D打印

為了進(jìn)一步定量評(píng)估LM-SiO?微粒復(fù)合材料的電學(xué)和機(jī)械性能，將圖案化的復(fù)合線連接到銅帶上，然后用Ecoflex封裝以組成傳感器件。該應(yīng)變傳感器可以扭曲、卷曲、拉伸而不會(huì)對(duì)器件造成任何損壞，具有良好的機(jī)械柔韌性和拉伸性。由于液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器具有機(jī)械柔韌性、在小應(yīng)變和大應(yīng)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(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同位置的細(xì)微運(yùn)動(dòng)和大幅運(yùn)動(dòng)。液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器放置在人體的眼睛、脖子、手指和膝蓋上，以檢測(cè)人體的各種動(dòng)作。

液態(tài)金屬傳感器的應(yīng)變傳感

此外，通過(guò)將3D打印的液態(tài)金屬傳感器集成在觸覺(jué)手套上，應(yīng)變和壓力傳感的協(xié)同效應(yīng)可以解碼拳擊訓(xùn)練中的握拳姿勢(shì)和擊打強(qiáng)度。在深度學(xué)習(xí)算法的輔助下，這款觸覺(jué)手套可以實(shí)現(xiàn)對(duì)拳擊技術(shù)的識(shí)別，例如刺拳、揮拳、上勾拳和組合拳，準(zhǔn)確率達(dá)90.5%。

深度學(xué)習(xí)輔助的觸覺(jué)手套的拳擊識(shí)別

總而言之，研究人員通過(guò)對(duì)液態(tài)金屬的有效流變改性和SiO?顆粒的應(yīng)變?cè)俜峙錂C(jī)制，開(kāi)發(fā)了一種具有高靈敏度和良好機(jī)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(yīng)力和粘度，這使得能夠通過(guò)3D打印快速定制和可擴(kuò)展地制造基于改性液態(tài)金屬的軟電子產(chǎn)品。作為概念驗(yàn)證演示，多功能傳感器被集成到觸覺(jué)手套上，以解碼拳擊訓(xùn)練中的握拳姿勢(shì)和擊打力量。在深度學(xué)習(xí)算法的輔助下，這款觸覺(jué)手套能夠識(shí)別不同的拳擊技術(shù)（刺拳、揮拳、上鉤拳和組合出拳），識(shí)別準(zhǔn)確率為90.5%。機(jī)械和電氣性能的結(jié)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(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、機(jī)器人操作和人機(jī)界面等各種應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力。

審核編輯：劉清