电流体动力打印的超高性能液态金属应变传感器

能感知每一个动作的可拉伸导线

想象一条柔软有弹性的带子，它能感知你手指最微小的弯曲或脉搏的细微跳动，而且不会断裂或失去接触。本文介绍了一种新的方法来打印超细的液态金属导线，这些导线可作为未来可穿戴设备、智能服装和软体机器人的“神经”——将金属的导电性与橡胶般的可拉伸性结合在一起。

为什么液态金属特别

大多数电子设备由刚性的金属和硬芯片构成，这些材料与弯曲的肘部或拉伸的皮肤并不相容。液态金属在室温下呈流体，却能提供接近固态金属的电导率，因而为这种不匹配提供了解决方案。它们可以随着柔性材料一起拉伸、扭转和变形，使其成为下一代可穿戴传感器和人机界面的理想构件。然而，直到现在，要将液态金属绘制成极细、精确的线而不出现泄漏、粗糙边缘或需要复杂模具，一直很困难，这限制了设备的密集度和响应灵敏度。

用电力打印金属

为了解决这一挑战，研究者采用了一种称为电流体动力（electrohydrodynamic）打印的技术，该技术利用电场将一股特殊的液态金属墨水从细针头拉出并沉积到柔性塑料表面。通过调节电压、墨水流量和被印表面的运动，他们能够用单个喷嘴绘制出连续的液态金属微线，宽度在30到300微米之间——比人类头发还细——长度可达数米。由于这些导线直接沉积在需要的位置并随后被两层柔性塑料膜完全封装，相较于空心通道方法，陷入气泡或泄漏的风险大大降低。

拉伸时苏醒的隐匿金属小珠

这种可印刷墨水的关键在于其微观结构。研究团队并非使用一池光滑的液态金属，而是将微小的镓铟合金液滴分散在承载液体中，伴随有聚合物和塑料颗粒以帮助维持结构。每个液滴都被一层薄薄的金属氧化物外壳包裹，这使得液滴不会立即融合在一起，并使新打印的导线最初几乎不导电。然而，当包含这些液滴的柔性条带被拉伸时，液滴会变形，刚性的外壳会开裂。液态金属随之渗出并与邻近液滴相连，在条带内形成连续的金属通路。电子显微镜、计算机模拟和精确的力学测量共同证实了从孤立小珠到相互连接、闪亮金属线的这种转变。

从微小拉伸到日常耐用

一旦被激活，这些液态金属微线便表现为高灵敏度的应变传感器。由于导线极细，即使是极微小的长度变化——在2.5厘米跨度上仅2微米，对应仅0.008%的应变——也会引起可测量的电阻变化。随着条带进一步拉伸，最长可达原长的三倍，金属通路变窄并变长，其电阻以受控、接近线性的方式变化，遵循基本电学规律。测试显示，这些导线在大应变下可承受数千次拉伸-释放循环而不破裂、不泄漏且性能不漂移，并能在数月内保持稳定。柔性塑料支撑层甚至可以在之后被溶解，以回收和再利用液态金属，符合循环利用和资源效率的目标。

会说话的手和会倾听的皮肤

为展示这些打印导线的功能，作者构建了能够将运动转为信号的简单装置。在一项演示中，五条窄传感器沿手指固定。当每个手指弯曲成不同数字手势时，每根导线的电阻会以独特的模式变化，小型电子板可以读取这些信号并进行无线发送。机器人手臂随后可以模仿人的手形，暗示了未来在远程控制和虚拟交互方面的应用。在另一项测试中，一条单一传感器轻轻绑在手腕附近，跟踪皮肤因脉搏引起的微小扩张。变化的电信号清晰地显示了心跳的不同阶段，并在运动后对更快、更强的脉搏作出响应，表明该传感器能够捕捉到身体上微弱且动态的应变。

迈向更智能、更柔软的电子设备

总之，这项工作提供了一种务实的方法，可以“绘制”超薄、超长且高精度的液态金属导线，并将其转化为极为灵敏、耐用且可回收的拉伸传感器。对非专业读者而言，结论是研究者已使我们更接近于能够像皮肤和肌肉一样运动与感知的电子设备——这些设备将来或许能像挥动手掌一样轻松控制机器人，或在没有令人不适的刚性硬件下持续监测健康信号。

引用: Chen, X., Feng, Y., Chen, K. et al. Electrohydrodynamic printed ultra-high performance liquid metal strain sensor. Microsyst Nanoeng 12, 145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01237-w

关键词: 液态金属, 柔性传感器, 可穿戴电子, 应变感测, 软体机器人