液态金属基微流控柔性应变传感器，用于人体运动和生理信号监测

近年来，柔性电子器件迅速崛起并发展，引发了对高性能可穿戴传感器不断增长的需求。传统基于刚性导电材料的应变传感器仅能检测相对较小的应变，而且刚性导体与柔性基底材料之间的杨氏模量固有差异会导致明显的滞后现象，甚至导致导体和基底分离。因此，具备低滞后、高拉伸性和高灵敏度的可穿戴传感器仍然具有研究和发展的空间。分形是一种数学概念，其特点是在不同的尺度或放大倍率下呈现自相似图案。由于分形结构具有自相似性、无限复杂性和空间自填充能力，已广泛应用于图像压缩算法、信号处理、超级电容器和电化学传感器等领域，展现出显著的优势。然而，分形结构在柔性应变传感性能方面的潜在优势及其影响仍待深入探索。

近期，广东工业大学汤亚东副教授课题组报道了一种具有Peano分形结构的液态金属基微通道柔性应变传感器，可用于监测人体运动和生理信号。相关工作以“Flexible liquidmetal-based microfluidic strain sensors with fractal-designed microchannels formonitoring human motion and physiological signals” 为题发表在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上。

在这项研究中，研究人员首先利用光刻与软光刻技术制备了三种不同的微通道柔性应变传感器。然后，采用有限元分析（FEA）比较了Ecoflex基底中不同通道（直通道、波浪通道、Peano II通道）的应力分布规律并且通过拉伸断裂实验证明了具有Peano分型结构微通道的传感器具有更好的拉伸性（图1）。

图1 （a）基于LM的Peano微通道应变传感器用于监测人体运动和生理信号的示意图；（b）传感器的制造过程；（c）具有不同微通道结构的传感器的照片；（d）三种模型在100%应变下的第一主应力分布；（e）当从ε = 0拉伸到故障点时，传感器的相对电阻变化  

之后，研究人员通过单轴拉伸释放实验研究比较了三种传感器的滞后性、电阻弛豫和各向同性。其结果证明Peano结构传感器具有低迟滞、低电阻松弛与良好的各项同性，但Peano传感器的电阻变化相对较小，这意味着与其他传感器（直通型GF = 1.24，波浪型GF = 0.94）相比，Peano传感器的灵敏度较低（GF = 0.84）（图2）。

图2 基于液态金属的应变传感器在不同微通道下的电响应性能：（a）传感器的滞后行为；（b）在3D条形图所示的每个应变水平下，加载和卸载之间的阻力响应差异；（c）传感器在连续步进保持测试下的电阻响应；（d）传感器在100%应变下的步进保持测试电阻响应  

由于分形结构的自相似性，它们具有有效填充空间的显着能力，随着分形阶数的增加，这种能力变得更加明显。基于Peano II传感器在滞后性和可拉伸性方面的优势，本研究进一步通过迭代Peano结构创建出三阶Peano（Peano III）传感器，研究了分形阶数对传感性能的影响。图3表明，Peano III传感器的最大静态应变为490%，超低检测限为0.1%，滞后为0.86%，具有快速响应（t = 117 ms）、长期稳定性和高耐久性。

图3 （a）Peano III应变传感器的几何形状；（b）传感器在不同拉伸应变下拉伸的照片；（c）Peano III传感器从ε = 0拉伸到故障点时电阻的相对变化；（d）Peano III传感器的滞后曲线；（e）Peano III传感器在0°、45°和90°方向上对100%应变的电阻响应；（f）Peano III传感器的相对电阻随梯形施加应变曲线的变化；（g）Peano III传感器在5%至100%（0.05 Hz）的张力应变下循环应变传感行为；（h）Peano III传感器在20%应变下拉伸频率范围为0.01 Hz至0.1 Hz的循环应变感应行为；（i）传感器在2000次拉伸-释放循环和高达100%应变下的ΔR/Ro响应；（j）传感器在100%应变下5天内的ΔR/Ro曲线；（k）传感器对0.1%超低应变的实时响应  

之后，Peano III传感器被应用于监测各种人体运动和生理信号。图4a ~ 4c描述了传感器对手指、手腕和肘部运动的电阻响应。图4d显示，带有Peano III传感器的智能手套可以精确控制机器人手指，展示了其在虚拟现实应用中的潜力。此外，Peano III传感器还可以用于检测静息状态和运动后的脉搏信号（图4e）。

图4 Peano III传感器的应用：（a ~ c）对手指（a）、手腕（b）、肘关节 （c）弯曲运动的阻力反应；（d）智能手套及其应用演示示意图；（e）脉冲信号检测  

此外，研究人员还制造了一种由PeanoIII传感部分组成的复合传感器，增加了两个独立且相互垂直的直通道传感单元，使传感器能够同时识别应变大小与应变方向（图5）。其中，Peano III传感单元用于监测应变大小，而两个垂直的直通道传感器单元用于识别应变方向。该复合传感器被证实可以捕捉各种颈部运动（图5e和5f）。

图5 （a）包含Peano III传感单元和两个垂直直线传感单元的复合传感器的照片；（b ~ d）在0°（b）、45°（c）和90°（d）拉伸方向的100%应变下，从三个相关传感部件检测到的电阻响应；（e ~ f）复合传感器在颈部横向运动（e）和纵向运动（f）期间的阻力响应  

考虑到Peano型传感器的灵敏度相对较低，在保持低滞后的同时提高其灵敏度将进一步促进其实际应用。因此，该研究还开发了一种多次印刷方法来制造多层Peano传感器。通过使用这种制造方法，与使用软光刻的传感器相比，可以很容易地实现更薄的传感器的制造。图6b和6c显示了随着堆叠层的增加，传感灵敏度被成功提高。同时，层数对滞后的影响很小（图6d）。之后，将单层和三层传感器分别安装在喉咙上，具有更高灵敏度的多层传感器可以更显著地区分出“你好”、“谢谢”、“小笼包”等词语和吞咽动作。

图6 （a）多层皮亚诺形传感器的组成；（b）单层、双层和三层传感器的相对电阻变化（0 ~ 100%应变）；（c）层数对传感灵敏度的影响；（d） 不同层数传感器的滞后行为；（e）单层和三层传感器在说话和吞咽过程中的相对电阻变化  

综上所述，该研究成功制备了一种具有Peano分形结构的液态金属微通道应变传感器。仿真和实验测量结果表明，相较于传统的直通和波浪形微通道传感器，该设计在传感器的可拉伸性和滞后性方面展现出显著的优势。随着分形阶数的提高，传感性能得到进一步改善：Peano III传感器的最大静态应变达到了490%，具备超低的检测限（0.1%）、低滞后（0.86%），并呈现出快速响应（t = 117 ms）、长期稳定性和高耐久性。通过在Peano传感器上增设两个独立且垂直的直线通道，实现了对应变方向的识别能力。此外，采用多层印刷方法不仅在维持低滞后的同时显著提升了Peano形传感器的灵敏度。最终，开发的柔性传感器在多种可穿戴应用中表现出卓越的性能，包括脉搏检测、人体运动监测和语音识别等，为健康监测系统和医疗诊断设备的发展做出了积极贡献。