受人體皮膚啟發的柔性觸覺傳感器具有巨大的應用潛力，包括智能機器人的電子皮膚、可穿戴醫療設備和人機界面等。盡管液態金屬（LM）及其復合材料的應用提高了各種觸覺傳感器的可拉伸性，但由于其靈敏度有限、工作范圍較窄，目前柔性觸覺傳感器的性能與人體皮膚之間仍存在相當大的差距。
據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學技術大學和澳大利亞伍倫貢大學（University of Wollongong）聯合開發了一種基于液態金屬液滴（LMD）的柔性觸覺傳感器。該傳感器實現了3 × 10?2 kPa?1的高壓靈敏度和50 Pa至1.2 MPa的寬工作范圍。這種新型傳感器由液態金屬液滴陣列組成，其中每對液滴通過聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道網格內的電解質溶液連接。研究表明，2-LMD傳感器能夠檢測人體運動和生理信號；基于電阻抗斷層成像的3.5 cm × 3.5 cm傳感器僅使用沿傳感器邊緣均勻分布的八個電極，就可以檢測單點、多點和其它復雜接觸的形狀和位置。這些發現凸顯了該傳感器在未來機器人和可穿戴電子應用中的巨大潛力。相關研究成果以“Liquid Metal Reversible Contacts for Flexible Tactile Sensor with High Sensitivity and Wide Detection Range”為題發表在Advanced Intelligent Systems期刊上。
在這項工作中，所開發的柔性觸覺傳感器包括液態金屬液滴陣列、電解質溶液和PDMS微通道。微通道中的電解質溶液連接兩個相鄰的液態金屬液滴，形成傳感器的基本單元。當施加外部壓力時，包含液態金屬液滴的PDMS腔室的體積被壓縮，導致部分液態金屬液滴被擠壓到通道中，改變了傳感器單元的結構，并引起局部電阻的變化。
基于液態金屬液滴的柔性觸覺傳感器
基于液態金屬液滴的傳感器是通過將液態金屬和電解質溶液注入封裝的PDMS腔室中制造的。為了促進兩個液態金屬液滴之間的可逆接觸，在它們之間放置了一個微通道。微通道結構對于實現液態金屬液滴的可逆接觸行為至關重要；否則，兩個直接接觸的自由液態金屬液滴將自發地合并成一個更大的液態金屬液滴。
微通道中液態金屬液滴的可逆接觸行為的系統研究
為了驗證基于液態金屬液滴可逆接觸的壓阻機制，并使這種基于液態金屬液滴的傳感器表現出優異的壓力傳感性能，研究人員制造了2-LMD傳感器單元，并根據通過兩個液態金屬液滴的電流的歸一化變化來評估其傳感性能。實驗結果表明，當施加的壓力低于200 kPa時，2-LMD傳感器的靈敏度為1.5 × 10?? kPa?1，在超過800 kPa的高壓范圍內，靈敏度為3 × 10?2 kPa?1。此外，基于液態金屬液滴的傳感器可以檢測低至50 Pa的壓力。循環響應表明，在長期循環工作期間，電氣特性沒有明顯衰減或信號漂移，證明了結構和傳感性能的穩定性，這對基于液態金屬液滴的傳感器的穩健應用至關重要。
2-LMD傳感器單元的傳感性能
2-LMD傳感器具有高壓靈敏度高、壓力檢測范圍寬、響應速度快等優越的傳感性能，適用于機器人電子皮膚和人類健康監測的可穿戴設備。研究人員展示了使用所提出的2-LMD傳感器對指尖的各種觸摸、手指彎曲、手腕上的動脈脈搏和喉嚨中的生理信號（例如咳嗽和吞咽）進行數字檢測。
2-LMD傳感器在人體運動和生理信號監測中的應用
此外，設計了一個基于電阻抗斷層成像（EIT）的大型傳感器，由8 × 8液態金屬液滴陣列組成，并與8個銅電極集成，實現了接觸和壓力的多模態檢測。這包括單點壓力、多點壓力和接觸區域形狀的檢測。由于其令人印象深刻的傳感性能和八個均勻分布的電極的獨特結構，所提出的基于EIT的傳感器具有大規模應用的巨大潛力，特別是在機器人電子皮膚中，而不會增加電路的復雜性。
基于EIT的8 × 8液態金屬液滴陣列大型傳感器的應用
總而言之，研究人員提出了一種基于液態金屬液滴的可逆接觸的柔性觸覺傳感器的新設計，通過具有特定縱橫比（大于2:1）的微通道連接相鄰的液態金屬液滴來實現。該傳感器結構由嵌入PDMS基質中的兩個液態金屬液滴、液滴之間的微通道和填充微通道的電解質溶液組成。當外力施加到一個液態金屬液滴上時，PDMS球形腔室的體積減小，導致液態金屬液滴被壓縮并部分擠壓到微通道中。由于液態金屬和電解質溶液之間的電導率差異，這種侵入改變了微通道中的流體結構，導致液態金屬液滴之間的電信號發生顯著變化。這種獨特的結構增強了電信號的變化，為所提出的基于液態金屬液滴的傳感器提供了比傳統的基于液態金屬微流體的壓力傳感器高幾倍的靈敏度，在1.2 MPa時提高了500倍。這項工作的主要貢獻之一是提出了一種基于液態金屬的傳感結構的新設計，與傳統的微流體結構液態金屬傳感器相比，該結構實現了較高的靈敏度和較寬的工作范圍。
本文所提出的傳感器具有極寬的檢測范圍，從低至50 Pa，到高達1.2 MPa。此外，2-LMD傳感器和基于8?×?8液態金屬液滴陣列的大面積傳感器的概念驗證演示證明了它們監測各種壓力信息的能力，例如人體生物信號（例如觸摸、手指彎曲、脈搏和吞咽）、單點壓力、多點壓力以及接觸區域的形狀。基于液態金屬液滴的柔性觸覺傳感器具有高壓靈敏度、寬檢測范圍、快速的壓力響應速度和出色的穩定性，在未來的機器人和可穿戴電子應用中具有巨大的潛力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aisy.202401019
