新型液态金属应变传感器，可用于手势识别和脉搏监测
2026-05-02 15:43:00 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该研究提出了一种用于液态金属微线结构的电流体动力打印制备方法，借助单根针头即可灵活制备宽度在30～300 μm之间的液态金属微线结构。该研究采用一种简易的微线结构实现了手势识别，对脉搏波的检测效果尤为出色。
液态金属（LM）在室温下可保持液态特性，其在室温下几乎不挥发，并且电导率可与固态金属相媲美。这些特性使其成为柔性电子器件的理想材料。液态金属可通过多种方式进行图案化，以制备不同的结构或电路图案。液态金属凭借其优异的流动性和应变适应性，在柔性电子、人机交互和软体机器人领域展现出广阔的应用前景。
电流体动力打印技术利用外部电场将流体从喷嘴中喷出，它通过电场剪切力进一步细化流体射流，从而有助于在基底上制备更高分辨率的功能性结构。此外，电流体动力打印在使用单一直径针头的情况下，可通过调整工艺参数制备不同尺寸的微结构。然而，由于液态金属粘度低、表面张力高，实现超精密图案化仍面临挑战，这限制了它们的器件集成与电响应性能。
据麦姆斯咨询介绍，大连理工大学采用电流体动力打印技术，通过同一喷嘴制备了不同直径的液态金属微线，并能连续打印至数米级长度。然后，研究人员利用这种结构简单的液态金属微线制备了应变传感器，可测量0至300%的应变，检测出0.008%的最低应变，并能在80%应变下承受数千次拉伸循环。该应变传感器可识别手势动作，感知脉搏波动引发的表皮应变，还能识别脉搏周期内的细微变化。相关研究成果已经以“Electrohydrodynamic printed ultra-high performance liquid metal strain sensor”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
论文摘要附图
液态金属墨水的组成与表征
聚乙烯吡咯烷酮（PVP）具有成膜性、黏附性和胶体保护性能，同时还展现出优异的溶解性与生物相容性。该研究将PVP用作液态金属墨水的稳定剂和调节剂。癸醇是一种非挥发性的无色或淡黄色黏性液体，常作为溶剂或添加剂应用于香料中，在液态金属墨水中则作为有机溶剂来维持墨水的液态特性。镓铟共晶合金（EGaIn）是一种熔点接近或低于室温的液态金属，经超声处理后会形成直径约3～5 μm的颗粒，随后将其溶解于含PVP的癸醇溶液中。研究人员在墨水中添加了一定量的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微球，以支撑EGaIn微球，进而提升打印结构的拉伸强度。
图1 液态金属墨水与电流体动力打印示意图
打印装置及微线打印
图1b展示了液态金属墨水电流体动力打印装置。该装置由三轴位移平台、信号发生器、电压放大器、注射泵和打印针组成。打印针供给端的注射泵提供稳定的液态金属墨水。针的外壁与高压放大器相连，基底与高压电源的接地端连接，从而在针尖与基底之间形成电场。电场中的墨水受到强制剪切作用，进而从针尖喷出锥形射流。基底在机械拉力作用下快速移动，进一步细化射流。利用160 μm的针脚调节电场强度，可获得稳定的锥形射流（图1c）。配合基底移动，可实现30～300 μm范围的微线米级打印，连续打印长度超过4米。图1e展示了打印的哪吒图案。
图2 液态金属微球拉伸后的表征及微球形貌
图3 液态金属微线的机电性能表征
基于液态金属微线应变传感器的手势识别
研究人员采用电流体动力打印技术制备了一种结构简单的液态金属微线结构。该结构具备灵敏的应变检测能力，可拉伸的热塑性聚氨酯（TPU）基底为其提供了柔性应变检测条件。液态金属微线通过TPU薄膜封装，两侧设置焊盘用于连接导线，由此制成了超高灵敏度应变传感器。图4a展示了通过五根液态金属微线传感器实现的手势识别应用。其中，每根传感器均固定在一根手指上。电阻信号由数字采集电路同步采集并传输至上位机（图4b）。
图4 利用液态金属微线进行手势信号识别
图4c展示了对1至9数字手势的精准识别，每个数字对应一种独特手势。通过分析电阻变化特征，可识别出手势所表达的数字。基于这一发现，能够实现对机械臂的精准控制。通过实时识别手势并将信号传输至机械臂的伺服电机，机械臂可直接复刻手部动作。
基于液态金属微线应变传感器的脉搏监测
在手势识别中，液态金属微线传感器常用于检测手指电阻随运动的变化。在上述测试中，即使是极小的应变也能被液态金属微线感知，随后会反馈电阻的变化。图5a展示了将液态金属微线贴在动脉附近可用于监测脉搏。研究人员实时读取了微线的电阻，并观察到了电阻随脉搏的变化（图5b）。
图5 液态金属微线脉搏监测及电阻变化信号
电阻变化的放大作用可表征脉搏波的各个阶段。图5d展示了测试者完成20次深蹲后液态金属微线的电阻变化情况。可以观察到，电阻变化的幅度和频率逐渐降低，这与脉搏的实际变化一致。这一过程验证了基于液态金属微线的应变传感器可用于检测微弱的应变。
结论
该研究提出了一种用于液态金属微线结构的电流体动力打印制备方法，借助单根针头即可灵活制备宽度在30～300 μm之间的液态金属微线结构。基于液态金属微线的应变传感器可在300%的拉伸率下保持电气特性，能检测0.008%的应变，并在2500次拉伸循环中保持稳定。该研究采用一种简易的微线结构实现了手势识别，对脉搏波的检测效果尤为出色。高效的电流体动力打印技术可确保制备米级液态金属微结构，这类微结构可用于批量制备传感器。同时，液态金属微线具备拉伸和抗疲劳性能，为其在传感器与执行器领域的潜在应用提供了支撑。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01237-w
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