研究背景
触觉作为个体理解世界和建立联系的主要方式。人类手部的触觉感受依赖于皮肤真皮层中多种机械感受器，以及棘层，后者在增强机械感知中起着关键作用。同时，感受器嵌入在皮肤组织中，并与周围组织一起生长，形成坚固而坚韧的界面。这些层之间的牢固连接使得皮肤能够在各种变形中正常运作，如拉伸、扭转、弯曲，并显示出高空间分辨率。我们手部这些复杂的神经和感觉感受器网络使我们能够准确感知并与物体轻松互动，例如抓握物体、演奏乐器和用笔写字。受自然界设计的启发，科学家们已经开发出柔性压力传感器或电子皮肤（e-skins），它们模拟人类皮肤感知外部环境刺激的能力。这些电子皮肤能够将外部物理刺激转换成电信号，同时保持与人类自然皮肤相同的柔韧性和可拉伸性。与基于刚性材料和网络的传统电子设备相比，电子皮肤在机器人触觉感知、可穿戴电子设备和智能医疗治疗方面具有巨大潜力。目前，人们已经投入了相当大的努力来开发用于生产高性能电子设备的创新材料，例如主要由氧化铟锡(ITO)、碳纳米管、金属（金、银和铜）纳米线、导电聚合物等制成的柔性压力传感器。然而，这些电极材料在柔韧性或导电性方面存在局限性，与柔软的皮肤和组织不兼容，并且在变形时无法正常工作。
近年来，由于其出色的电/热导电性、低蒸汽压、固有的流动性和延展性以及良好的生物相容性，基于镓的液态金属（LM）引起了广泛关注。LM在各种电子皮肤组件中显示出巨大的潜力，例如可拉伸的电极/电路、灵活的互连、灵活的执行器、灵活的开关设备等。然而，对于作为柔性机械传感器的一个重要类别，基于LM的设备性能需要改进。电容式压力传感器因其简约的设计，卓越的稳定性，低功耗，以及与温度无关而广受赞誉。微结构的引入已被证明能有效提高压力传感器的灵敏度。特别是，微结构电极的制备可以显著提高它们的压力灵敏度。然而，由于LM是一种非晶态液相，加上其表面张力大以及外部存在氧化镓壳层，LM很难在具有微米或纳米结构的表面上打印。LM在材料表面的打印本质上是一个表面润湿性问题。大多数研究人员使用亲金属的铜和金作为中间层来改善LM和基底的表面亲和力。然而，刚性的金属影响了LM的固有拉伸性能，并极大地限制了传感器的可拉伸性。因此，有必要突破LM在结构弹性基底上的润湿性限制，并基于LM提高压力传感器的传感性能。
研究成果
人类的手可以通过触摸来包裹物体表面并识别其形状。然而，现有的可拉伸触觉传感器在变形过程中检测压力时表现出有限的灵活性和稳定性，同时仅能实现平面物体的识别。受皮肤组织结构的启发，西安交通大学陈烽教授团队通过嵌入式结构制造了一种基于液态金属的电子皮肤，该皮肤由液态金属微结构电极（LM-ME）阵列组成，用于曲面压力映射。通过使用飞秒激光诱导的微/纳米结构和水/水凝胶辅助的图案化方法，制造了基于嵌入式LM-ME的传感器元件，这使得传感器单元具有高灵敏度（在0-0.1 kPa范围内为7.42 kPa−1）和通过传感器单元的互联支撑隔离结构实现的高稳定性。具有高界面韧性1328 J m−2的传感器阵列可以在弯曲和拉伸条件下保持压力感应。此外，嵌入式结构和激光诱导的凸点有效地将传统柔性传感器的串扰从58%降低到7.8%。这些可拉伸且机械稳定的传感器阵列具有形状适应性，能够实现非平面表面的压力映射，这对于机器人皮肤和人机交互中的物体识别具有很大的潜力。相关研究以“Microstructured Liquid Metal-Based Embedded-Type Sensor Array for Curved Pressure Mapping”为题发表在Advanced Science期刊上。
图文导读
Figure 1. Design of human skin-inspired soft haptic interfaces.
Figure 2. Fabrication and characterization of embedded LM-ME.
Figure 3. Structure and sensing properties of the all-soft LM-ME pressure sensor.
Figure 4. Mechanical and electrical stability testing of the embedded LM-ME sensor array with support layer.
Figure 5. Pressure mapping on curved surfaces with a wireless signal acquisition system.
总结与展望
作者报告了一种基于嵌入式液态金属（LM-ME）的全软和嵌入式型10×10触觉传感器阵列，具有高灵敏度、稳定性和低串扰。通过采用水/水凝胶辅助的图案化方法，有效地解决了在粗糙表面上打印LM以制造嵌入式LM-ME的挑战。因此，通过增加电极相对面积，基于电容LM的压力传感器的灵敏度显著提高。所有软触觉传感器在0-0.1 kPa范围内表现出高灵敏度7.42 kPa−2，低检测限0.84 Pa，并且具有54毫秒的快速响应能力，并能承受长期压力循环。嵌入式传感器单元之间的支撑层使传感器阵列能够在弯曲和拉伸条件下保持压力感应。结合表面的凸起，传感器阵列具有低串扰性能。这些特性确保了传感器在变形下实现压力映射，并在曲面图案识别中提供高质量输出的能力。利用机器学习技术，实现了在曲面上识别26个字母，准确率达到了惊人的99.7%。这项研究为基于液态金属的全软高性能传感器阵列的开发和设计提供了宝贵的见解。
文献链接
Microstructured Liquid Metal-Based Embedded-Type Sensor Array for Curved Pressure Mapping
https://doi.org/10.1002/advs.202413233
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