受人体皮肤启发的柔性触觉传感器具有巨大的应用潜力，包括智能机器人的电子皮肤、可穿戴医疗设备和人机界面等。尽管液态金属（LM）及其复合材料的应用提高了各种触觉传感器的可拉伸性，但由于其灵敏度有限、工作范围较窄，目前柔性触觉传感器的性能与人体皮肤之间仍存在相当大的差距。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学技术大学和澳大利亚伍伦贡大学（University of Wollongong）联合开发了一种基于液态金属液滴（LMD）的柔性触觉传感器。该传感器实现了3 × 10⁻² kPa⁻¹的高压灵敏度和50 Pa至1.2 MPa的宽工作范围。这种新型传感器由液态金属液滴阵列组成，其中每对液滴通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道网格内的电解质溶液连接。研究表明，2-LMD传感器能够检测人体运动和生理信号；基于电阻抗断层成像的3.5 cm × 3.5 cm传感器仅使用沿传感器边缘均匀分布的八个电极，就可以检测单点、多点和其它复杂接触的形状和位置。这些发现凸显了该传感器在未来机器人和可穿戴电子应用中的巨大潜力。相关研究成果以“Liquid Metal Reversible Contacts for Flexible Tactile Sensor with High Sensitivity and Wide Detection Range”为题发表在Advanced Intelligent Systems期刊上。
在这项工作中，所开发的柔性触觉传感器包括液态金属液滴阵列、电解质溶液和PDMS微通道。微通道中的电解质溶液连接两个相邻的液态金属液滴，形成传感器的基本单元。当施加外部压力时，包含液态金属液滴的PDMS腔室的体积被压缩，导致部分液态金属液滴被挤压到通道中，改变了传感器单元的结构，并引起局部电阻的变化。
基于液态金属液滴的柔性触觉传感器
基于液态金属液滴的传感器是通过将液态金属和电解质溶液注入封装的PDMS腔室中制造的。为了促进两个液态金属液滴之间的可逆接触，在它们之间放置了一个微通道。微通道结构对于实现液态金属液滴的可逆接触行为至关重要；否则，两个直接接触的自由液态金属液滴将自发地合并成一个更大的液态金属液滴。
微通道中液态金属液滴的可逆接触行为的系统研究
为了验证基于液态金属液滴可逆接触的压阻机制，并使这种基于液态金属液滴的传感器表现出优异的压力传感性能，研究人员制造了2-LMD传感器单元，并根据通过两个液态金属液滴的电流的归一化变化来评估其传感性能。实验结果表明，当施加的压力低于200 kPa时，2-LMD传感器的灵敏度为1.5 × 10⁻⁴ kPa⁻¹，在超过800 kPa的高压范围内，灵敏度为3 × 10⁻² kPa⁻¹。此外，基于液态金属液滴的传感器可以检测低至50 Pa的压力。循环响应表明，在长期循环工作期间，电气特性没有明显衰减或信号漂移，证明了结构和传感性能的稳定性，这对基于液态金属液滴的传感器的稳健应用至关重要。
2-LMD传感器单元的传感性能
2-LMD传感器具有高压灵敏度高、压力检测范围宽、响应速度快等优越的传感性能，适用于机器人电子皮肤和人类健康监测的可穿戴设备。研究人员展示了使用所提出的2-LMD传感器对指尖的各种触摸、手指弯曲、手腕上的动脉脉搏和喉咙中的生理信号（例如咳嗽和吞咽）进行数字检测。
2-LMD传感器在人体运动和生理信号监测中的应用
此外，设计了一个基于电阻抗断层成像（EIT）的大型传感器，由8 × 8液态金属液滴阵列组成，并与8个铜电极集成，实现了接触和压力的多模态检测。这包括单点压力、多点压力和接触区域形状的检测。由于其令人印象深刻的传感性能和八个均匀分布的电极的独特结构，所提出的基于EIT的传感器具有大规模应用的巨大潜力，特别是在机器人电子皮肤中，而不会增加电路的复杂性。
基于EIT的8 × 8液态金属液滴阵列大型传感器的应用
总而言之，研究人员提出了一种基于液态金属液滴的可逆接触的柔性触觉传感器的新设计，通过具有特定纵横比（大于2:1）的微通道连接相邻的液态金属液滴来实现。该传感器结构由嵌入PDMS基质中的两个液态金属液滴、液滴之间的微通道和填充微通道的电解质溶液组成。当外力施加到一个液态金属液滴上时，PDMS球形腔室的体积减小，导致液态金属液滴被压缩并部分挤压到微通道中。由于液态金属和电解质溶液之间的电导率差异，这种侵入改变了微通道中的流体结构，导致液态金属液滴之间的电信号发生显著变化。这种独特的结构增强了电信号的变化，为所提出的基于液态金属液滴的传感器提供了比传统的基于液态金属微流体的压力传感器高几倍的灵敏度，在1.2 MPa时提高了500倍。这项工作的主要贡献之一是提出了一种基于液态金属的传感结构的新设计，与传统的微流体结构液态金属传感器相比，该结构实现了较高的灵敏度和较宽的工作范围。
本文所提出的传感器具有极宽的检测范围，从低至50 Pa，到高达1.2 MPa。此外，2-LMD传感器和基于8 × 8液态金属液滴阵列的大面积传感器的概念验证演示证明了它们监测各种压力信息的能力，例如人体生物信号（例如触摸、手指弯曲、脉搏和吞咽）、单点压力、多点压力以及接触区域的形状。基于液态金属液滴的柔性触觉传感器具有高压灵敏度、宽检测范围、快速的压力响应速度和出色的稳定性，在未来的机器人和可穿戴电子应用中具有巨大的潜力。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/aisy.202401019
