液態金屬（LM）表現出與金屬相當的高導電性和源自其液態獨特的可變形性，因此被認為是高性能軟電子器件的有前途的材料。然而，快速圖案化液態金屬以實現高靈敏度傳感系統仍然是一個挑戰，這主要源于其較差的流變性和潤濕性。
據麥姆斯咨詢報道，近日，浙江工業大學（Zhejiang University of Technology）和科羅拉多大學波德分校（University of Colorado Boulder）的研究人員聯合報道了一種液態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金屬傳感器的靈敏度。通過將SiO?顆粒摻入液態金屬中，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。基于打印LM-SiO?復合材料的傳感器具有優異的機械柔性、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”為題發表在npj Flexible Electronics期刊上。
可打印的液態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%）作為導電液態金屬，在液態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?顆粒用于液態金屬復合材料。流變學測試表明，隨著SiO?質量分數的增加，兩種液態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，實時監測不同位置的細微運動和大幅運動。液態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。
液態金屬傳感器的應變傳感
此外，通過將3D打印的液態金屬傳感器集成在觸覺手套上，應變和壓力傳感的協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金屬的有效流變改性和SiO?顆粒的應變再分配機制，開發了一種具有高靈敏度和良好機械性能的可打印液態金屬傳感器。SiO?微粒的加入增加了液態金屬的彈性模量、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中的演示，表明液態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。
論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41528-023-00272-1
延伸閱讀：
《可穿戴技術及市場-2023版》
《柔性/印刷電子技術及市場-2023版》
《3D打印材料技術及市場-2022版》
