液態金屬（LM）在室溫下可保持液態特性，其在室溫下幾乎不揮發，并且電導率可與固態金屬相媲美。這些特性使其成為柔性電子器件的理想材料。液態金屬可通過多種方式進行圖案化，以制備不同的結構或電路圖案。液態金屬憑借其優異的流動性和應變適應性，在柔性電子、人機交互和軟體機器人領域展現出廣闊的應用前景。
電流體動力打印技術利用外部電場將流體從噴嘴中噴出，它通過電場剪切力進一步細化流體射流，從而有助于在基底上制備更高分辨率的功能性結構。此外，電流體動力打印在使用單一直徑針頭的情況下，可通過調整工藝參數制備不同尺寸的微結構。然而，由于液態金屬粘度低、表面張力高，實現超精密圖案化仍面臨挑戰，這限制了它們的器件集成與電響應性能。
據麥姆斯咨詢介紹，大連理工大學采用電流體動力打印技術，通過同一噴嘴制備了不同直徑的液態金屬微線，并能連續打印至數米級長度。然后，研究人員利用這種結構簡單的液態金屬微線制備了應變傳感器，可測量0至300%的應變，檢測出0.008%的最低應變，并能在80%應變下承受數千次拉伸循環。該應變傳感器可識別手勢動作，感知脈搏波動引發的表皮應變，還能識別脈搏周期內的細微變化。相關研究成果已經以“Electrohydrodynamic printed ultra-high performance liquid metal strain sensor”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
論文摘要附圖
液態金屬墨水的組成與表征
聚乙烯吡咯烷酮（PVP）具有成膜性、黏附性和膠體保護性能，同時還展現出優異的溶解性與生物相容性。該研究將PVP用作液態金屬墨水的穩定劑和調節劑。癸醇是一種非揮發性的無色或淡黃色黏性液體，常作為溶劑或添加劑應用于香料中，在液態金屬墨水中則作為有機溶劑來維持墨水的液態特性。鎵銦共晶合金（EGaIn）是一種熔點接近或低于室溫的液態金屬，經超聲處理后會形成直徑約3～5 μm的顆粒，隨后將其溶解于含PVP的癸醇溶液中。研究人員在墨水中添加了一定量的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）微球，以支撐EGaIn微球，進而提升打印結構的拉伸強度。
圖1 液態金屬墨水與電流體動力打印示意圖
打印裝置及微線打印
圖1b展示了液態金屬墨水電流體動力打印裝置。該裝置由三軸位移平臺、信號發生器、電壓放大器、注射泵和打印針組成。打印針供給端的注射泵提供穩定的液態金屬墨水。針的外壁與高壓放大器相連，基底與高壓電源的接地端連接，從而在針尖與基底之間形成電場。電場中的墨水受到強制剪切作用，進而從針尖噴出錐形射流。基底在機械拉力作用下快速移動，進一步細化射流。利用160 μm的針腳調節電場強度，可獲得穩定的錐形射流（圖1c）。配合基底移動，可實現30～300 μm范圍的微線米級打印，連續打印長度超過4米。圖1e展示了打印的哪吒圖案。
圖2 液態金屬微球拉伸后的表征及微球形貌
圖3 液態金屬微線的機電性能表征
基于液態金屬微線應變傳感器的手勢識別
研究人員采用電流體動力打印技術制備了一種結構簡單的液態金屬微線結構。該結構具備靈敏的應變檢測能力，可拉伸的熱塑性聚氨酯（TPU）基底為其提供了柔性應變檢測條件。液態金屬微線通過TPU薄膜封裝，兩側設置焊盤用于連接導線，由此制成了超高靈敏度應變傳感器。圖4a展示了通過五根液態金屬微線傳感器實現的手勢識別應用。其中，每根傳感器均固定在一根手指上。電阻信號由數字采集電路同步采集并傳輸至上位機（圖4b）。
圖4 利用液態金屬微線進行手勢信號識別
圖4c展示了對1至9數字手勢的精準識別，每個數字對應一種獨特手勢。通過分析電阻變化特征，可識別出手勢所表達的數字。基于這一發現，能夠實現對機械臂的精準控制。通過實時識別手勢并將信號傳輸至機械臂的伺服電機，機械臂可直接復刻手部動作。
基于液態金屬微線應變傳感器的脈搏監測
在手勢識別中，液態金屬微線傳感器常用于檢測手指電阻隨運動的變化。在上述測試中，即使是極小的應變也能被液態金屬微線感知，隨后會反饋電阻的變化。圖5a展示了將液態金屬微線貼在動脈附近可用于監測脈搏。研究人員實時讀取了微線的電阻，并觀察到了電阻隨脈搏的變化（圖5b）。
圖5 液態金屬微線脈搏監測及電阻變化信號
電阻變化的放大作用可表征脈搏波的各個階段。圖5d展示了測試者完成20次深蹲后液態金屬微線的電阻變化情況。可以觀察到，電阻變化的幅度和頻率逐漸降低，這與脈搏的實際變化一致。這一過程驗證了基于液態金屬微線的應變傳感器可用于檢測微弱的應變。
結論
該研究提出了一種用于液態金屬微線結構的電流體動力打印制備方法，借助單根針頭即可靈活制備寬度在30～300 μm之間的液態金屬微線結構。基于液態金屬微線的應變傳感器可在300%的拉伸率下保持電氣特性，能檢測0.008%的應變，并在2500次拉伸循環中保持穩定。該研究采用一種簡易的微線結構實現了手勢識別，對脈搏波的檢測效果尤為出色。高效的電流體動力打印技術可確保制備米級液態金屬微結構，這類微結構可用于批量制備傳感器。同時，液態金屬微線具備拉伸和抗疲勞性能，為其在傳感器與執行器領域的潛在應用提供了支撐。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01237-w
