液态金属电子皮肤应用王敏蛛丝液态金属皮肤电极|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

王敏蛛丝液态金属皮肤电极

美国迈阿密大学的研究人员制备出柔性可拉伸蛛丝液态金属（SLiM）电极，显著提高可穿戴健康监测设备的佩戴舒适性。皮肤电极在健康状态监测等领域有重要应用，但存在硬度高、使用刺激性粘合剂、透气性差等缺点。研究人员将有良好生物兼容性的电纺蛛丝与可打印的液态金属相结合，研制出一种柔性、可拉伸、无刺激的SLiM皮肤电极。采用静电纺丝技术制备的蜘蛛丝作为电极基底；将液态金属与有机溶剂混合形成液态金属油墨，并将油墨印刷于基底表面，制备导电结构；将另一层蜘蛛丝覆盖于液态金属油墨表面形成封装层；施加压力激活液态金属网络使其形成导电网络。结果表明：SLiM电极的透气性比商用湿电极高5倍，具有天然粘附机制，可避免使用刺激性人工粘合剂，降低长期使用对皮肤的刺激。此外，SLiM电极的阻抗与传统湿电极和其他液态金属电极相当，具有高保真度的传感特性。

这种SLiM电极佩戴舒适性高、传感保真度好，有望广泛用于可穿戴设备、人体健康监测等领域。

论文：Silky Liquid Metal Electrodes for On-Skin Health Monitoring

科学家研发液态金属智能弹性体，有望用于柔性显示和智能感知等

“最初发现这种新材料拉伸后有点烫手，我的第一反应是疑惑是否出现了错觉。”谈及发表在 Science Advances 的研究，清华大学特别研究员汪鸿章如是说。

近期，他与合作者研发了新型液态金属弹性体结构，并具有多种智能特性，包括智能响应、导体绝缘体转变、刚度调节、可控产热等。

图丨汪鸿章（来源：汪鸿章）

之所以出现“错觉”，是因为在该研究中，研究人员首次通过拉伸、按压、磁铁靠近等外界刺激能引起液态金属相变，使其将热量可控地释放出来，材料温度甚至可迅速上升 30 摄氏度。

他们将这种液态金属磁流体材料负载在有机高分子后，发现它具有高度过冷特性，可维持 50 多摄氏度的温差，而不会发生自然的相变。

在以往的研究中，通常认为液态金属弹性体所产生的热量微乎其微，而该研究表明，其所产生的热能够作为能量驱动热响应过程。

例如，热能够产生热红外信号与热响应变色。

该课题组首次使用热成像相机对不同的触发刺激进行了空间可视化，同时也在无源的状态下，形成复杂红外图案（如下图展示的爱因斯坦头像）。

反之，利用热成像或者颜色改变，能够可视化触发刺激如应力和磁场的分布。

图丨通过液态金属弹性体结构对信息编码的触发信号的感知和实时红外可视化（来源：Science Advances）

该研究的实验设计巧妙精细，利用红外信号成像能够感知到输入刺激，进而制备出具有柔性的传感系统，实现多刺激、实时、原位的大面积的传感。

此前，如果想通过可控的释放热量进行感知，通常利用化学变化来实现，其过程多数是不可逆的。

而该研究中的创新性在于其设计的是物理相变，也就是说，智能的无源系统能够实现传感，而不需要外界复杂的线路或输入能量。

谈及这项研究的创新点，汪鸿章表示：“我们开发的这种液态金属可以做成微米级别的颗粒，每个颗粒都可作为热源和信号的显示装置。”

并且，没有任何其他的连接线或电源，相当于通过材料本身就可以实现可视化成像。

该技术在储能、传感、智能材料机器人等领域具有潜在的应用前景。审稿人认为，该研究可以显著地推进液态金属弹性体复合材料的设计和实际应用，为创造未来智能软系统提供了希望。

第一，储能领域。

该研究克服了跨温区和跨季节储能，能够让该材料在高温时吸热，在低温时保持稳定状态，并在特定位置或特定场景下释放，实现了能量的长距离运输。

“相比于传统的石蜡等材料，我们研发的这种新材料能实现 473 千焦每升的高体积潜热值。”汪鸿章说。

第二，传感领域。

热能在不可见光情况下可发生红外信号，因此能够将该材料用于应力传感热成像。

汪鸿章举例说道：“比如在汽车在做风洞测试时，利用红外热成像技术加上这种新材料，可基于拉伸应力，来判断哪个地方可能受到的阻力更大，从而改进车身机构的设计。”

另一种情况是，飞机在高速飞行时，通过由该材料制备的智能薄膜将气压或压力分布的数值显示出来，这是传统材料很难实现的效果。

第三，智能材料机器人领域。

液态金属弹性体材料采用类似硅胶的弹性材料，并添加了液态金属导电材料，其柔性可拉伸的特性适用于智能电子皮肤。

值得关注的是，该材料在磁场触发后，会发生相变，包括电学性质和刚度的改变。

具体来说，电学性质的改变指的是，磁场触发后由绝缘体变为导体。“它的电导率在外界刺激下实现超过 109 倍的可逆转变，这种改变使其可作为电子皮肤中的柔性传感器和开关。”汪鸿章说。

不仅如此，材料的刚度也可以发生大幅度改变。在软体机器人中，可根据环境调整刚度，来调整抓取物的重量；或者可根据需要随时调整外骨骼刚度。

日前，相关论文以《基于智能液体金属弹性体结构的多刺激感知和可视化》（Multi-stimulus perception and visualization by an intelligent liquid metal-elastomer architecture）为题发表在 Science Advances[1]。

清华大学助理教授汪鸿章是第一作者兼通讯作者，北京航天航空大学副教授袁博是共同第一作者，澳大利亚新南威尔士大学助理教授汤剑波和清华大学刘静教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Science Advances）

在接下来的研究阶段，研究人员计划探索该材料在柔性可穿戴设备实现可编程的加热，或者可控的加热的应用效果。

例如，通过开发智能的贴片或电子创可贴，实现促进肿瘤热疗、伤口愈合，或通过电刺激来改变情绪等。

此外，他们也将继续改进材料精度，以在人形机器人假肢等更大面积的应用场景实现应力分布的可视化。

参考资料：

1.H.,Wang et al. Multi-stimulus perception and visualization by an intelligent liquid metal-elastomer architecture. Science Advances(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5215

排版：溪树