液態(tài)金屬基微流控柔性應(yīng)變傳感器，用于人體運(yùn)動和生理信號監(jiān)測

近年來，柔性電子器件迅速崛起并發(fā)展，引發(fā)了對高性能可穿戴傳感器不斷增長的需求。傳統(tǒng)基于剛性導(dǎo)電材料的應(yīng)變傳感器僅能檢測相對較小的應(yīng)變，而且剛性導(dǎo)體與柔性基底材料之間的楊氏模量固有差異會導(dǎo)致明顯的滯后現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致導(dǎo)體和基底分離。因此，具備低滯后、高拉伸性和高靈敏度的可穿戴傳感器仍然具有研究和發(fā)展的空間。分形是一種數(shù)學(xué)概念，其特點(diǎn)是在不同的尺度或放大倍率下呈現(xiàn)自相似圖案。由于分形結(jié)構(gòu)具有自相似性、無限復(fù)雜性和空間自填充能力，已廣泛應(yīng)用于圖像壓縮算法、信號處理、超級電容器和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域，展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。然而，分形結(jié)構(gòu)在柔性應(yīng)變傳感性能方面的潛在優(yōu)勢及其影響仍待深入探索。

近期，廣東工業(yè)大學(xué)湯亞東副教授課題組報道了一種具有Peano分形結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬基微通道柔性應(yīng)變傳感器，可用于監(jiān)測人體運(yùn)動和生理信號。相關(guān)工作以“Flexible liquidmetal-based microfluidic strain sensors with fractal-designed microchannels formonitoring human motion and physiological signals” 為題發(fā)表在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上。

在這項(xiàng)研究中，研究人員首先利用光刻與軟光刻技術(shù)制備了三種不同的微通道柔性應(yīng)變傳感器。然后，采用有限元分析（FEA）比較了Ecoflex基底中不同通道（直通道、波浪通道、Peano II通道）的應(yīng)力分布規(guī)律并且通過拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)證明了具有Peano分型結(jié)構(gòu)微通道的傳感器具有更好的拉伸性（圖1）。

圖1 （a）基于LM的Peano微通道應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測人體運(yùn)動和生理信號的示意圖；（b）傳感器的制造過程；（c）具有不同微通道結(jié)構(gòu)的傳感器的照片；（d）三種模型在100%應(yīng)變下的第一主應(yīng)力分布；（e）當(dāng)從ε = 0拉伸到故障點(diǎn)時，傳感器的相對電阻變化

之后，研究人員通過單軸拉伸釋放實(shí)驗(yàn)研究比較了三種傳感器的滯后性、電阻弛豫和各向同性。其結(jié)果證明Peano結(jié)構(gòu)傳感器具有低遲滯、低電阻松弛與良好的各項(xiàng)同性，但Peano傳感器的電阻變化相對較小，這意味著與其他傳感器（直通型GF = 1.24，波浪型GF = 0.94）相比，Peano傳感器的靈敏度較低（GF = 0.84）（圖2）。

圖2 基于液態(tài)金屬的應(yīng)變傳感器在不同微通道下的電響應(yīng)性能：（a）傳感器的滯后行為；（b）在3D條形圖所示的每個應(yīng)變水平下，加載和卸載之間的阻力響應(yīng)差異；（c）傳感器在連續(xù)步進(jìn)保持測試下的電阻響應(yīng)；（d）傳感器在100%應(yīng)變下的步進(jìn)保持測試電阻響應(yīng)

由于分形結(jié)構(gòu)的自相似性，它們具有有效填充空間的顯著能力，隨著分形階數(shù)的增加，這種能力變得更加明顯?；赑eano II傳感器在滯后性和可拉伸性方面的優(yōu)勢，本研究進(jìn)一步通過迭代Peano結(jié)構(gòu)創(chuàng)建出三階Peano（Peano III）傳感器，研究了分形階數(shù)對傳感性能的影響。圖3表明，Peano III傳感器的最大靜態(tài)應(yīng)變?yōu)?90%，超低檢測限為0.1%，滯后為0.86%，具有快速響應(yīng)（t = 117 ms）、長期穩(wěn)定性和高耐久性。

圖3 （a）Peano III應(yīng)變傳感器的幾何形狀；（b）傳感器在不同拉伸應(yīng)變下拉伸的照片；（c）Peano III傳感器從ε = 0拉伸到故障點(diǎn)時電阻的相對變化；（d）Peano III傳感器的滯后曲線；（e）Peano III傳感器在0°、45°和90°方向上對100%應(yīng)變的電阻響應(yīng)；（f）Peano III傳感器的相對電阻隨梯形施加應(yīng)變曲線的變化；（g）Peano III傳感器在5%至100%（0.05 Hz）的張力應(yīng)變下循環(huán)應(yīng)變傳感行為；（h）Peano III傳感器在20%應(yīng)變下拉伸頻率范圍為0.01 Hz至0.1 Hz的循環(huán)應(yīng)變感應(yīng)行為；（i）傳感器在2000次拉伸-釋放循環(huán)和高達(dá)100%應(yīng)變下的ΔR/Ro響應(yīng)；（j）傳感器在100%應(yīng)變下5天內(nèi)的ΔR/Ro曲線；（k）傳感器對0.1%超低應(yīng)變的實(shí)時響應(yīng)

之后，Peano III傳感器被應(yīng)用于監(jiān)測各種人體運(yùn)動和生理信號。圖4a ~ 4c描述了傳感器對手指、手腕和肘部運(yùn)動的電阻響應(yīng)。圖4d顯示，帶有Peano III傳感器的智能手套可以精確控制機(jī)器人手指，展示了其在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的潛力。此外，Peano III傳感器還可以用于檢測靜息狀態(tài)和運(yùn)動后的脈搏信號（圖4e）。

圖4 Peano III傳感器的應(yīng)用：（a ~ c）對手指（a）、手腕（b）、肘關(guān)節(jié) （c）彎曲運(yùn)動的阻力反應(yīng)；（d）智能手套及其應(yīng)用演示示意圖；（e）脈沖信號檢測

此外，研究人員還制造了一種由PeanoIII傳感部分組成的復(fù)合傳感器，增加了兩個獨(dú)立且相互垂直的直通道傳感單元，使傳感器能夠同時識別應(yīng)變大小與應(yīng)變方向（圖5）。其中，Peano III傳感單元用于監(jiān)測應(yīng)變大小，而兩個垂直的直通道傳感器單元用于識別應(yīng)變方向。該復(fù)合傳感器被證實(shí)可以捕捉各種頸部運(yùn)動（圖5e和5f）。

圖5 （a）包含Peano III傳感單元和兩個垂直直線傳感單元的復(fù)合傳感器的照片；（b ~ d）在0°（b）、45°（c）和90°（d）拉伸方向的100%應(yīng)變下，從三個相關(guān)傳感部件檢測到的電阻響應(yīng)；（e ~ f）復(fù)合傳感器在頸部橫向運(yùn)動（e）和縱向運(yùn)動（f）期間的阻力響應(yīng)

考慮到Peano型傳感器的靈敏度相對較低，在保持低滯后的同時提高其靈敏度將進(jìn)一步促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用。因此，該研究還開發(fā)了一種多次印刷方法來制造多層Peano傳感器。通過使用這種制造方法，與使用軟光刻的傳感器相比，可以很容易地實(shí)現(xiàn)更薄的傳感器的制造。圖6b和6c顯示了隨著堆疊層的增加，傳感靈敏度被成功提高。同時，層數(shù)對滯后的影響很?。▓D6d）。之后，將單層和三層傳感器分別安裝在喉嚨上，具有更高靈敏度的多層傳感器可以更顯著地區(qū)分出“你好”、“謝謝”、“小籠包”等詞語和吞咽動作。

圖6 （a）多層皮亞諾形傳感器的組成；（b）單層、雙層和三層傳感器的相對電阻變化（0 ~ 100%應(yīng)變）；（c）層數(shù)對傳感靈敏度的影響；（d） 不同層數(shù)傳感器的滯后行為；（e）單層和三層傳感器在說話和吞咽過程中的相對電阻變化

綜上所述，該研究成功制備了一種具有Peano分形結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬微通道應(yīng)變傳感器。仿真和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的直通和波浪形微通道傳感器，該設(shè)計在傳感器的可拉伸性和滯后性方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。隨著分形階數(shù)的提高，傳感性能得到進(jìn)一步改善：Peano III傳感器的最大靜態(tài)應(yīng)變達(dá)到了490%，具備超低的檢測限（0.1%）、低滯后（0.86%），并呈現(xiàn)出快速響應(yīng)（t = 117 ms）、長期穩(wěn)定性和高耐久性。通過在Peano傳感器上增設(shè)兩個獨(dú)立且垂直的直線通道，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)變方向的識別能力。此外，采用多層印刷方法不僅在維持低滯后的同時顯著提升了Peano形傳感器的靈敏度。最終，開發(fā)的柔性傳感器在多種可穿戴應(yīng)用中表現(xiàn)出卓越的性能，包括脈搏檢測、人體運(yùn)動監(jiān)測和語音識別等，為健康監(jiān)測系統(tǒng)和醫(yī)療診斷設(shè)備的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。