电液动力驱动的超高性能液态金属应变传感器
液态金属具有出色的流动性与应变适应性，因此在柔性电子、人机交互以及软体机器人等领域有着广阔的应用前景。不过，由于液态金属的粘度较低且表面张力较高，要实现超精确的图案加工相当困难，这限制了其在器件集成和电气性能方面的应用。本研究提出了一种电液动力印刷技术，可用于制造长度较长、尺寸极小的定制化液态金属微线，从而有效调控其电气性能。研究人员利用这种技术制造出了灵敏度极高的应变传感器：该传感器的最小应变检测能力可达0.008%，并且能在80%的应变状态下承受数千次拉伸测试。这种传感器在手势识别和脉搏测量等应用中表现出了出色的性能。研究表明，电液动力印刷技术为液态金属的精确加工提供了有效手段，进一步拓展了液态金属器件的应用潜力。
液态金属在室温下仍能保持其液态特性。它们在室温下几乎不挥发，且其导电性可与固态金属相媲美。这些特性使得液态金属成为制造柔性电子设备的理想材料。LM可以通过多种方式加以加工处理，从而形成不同的结构或电路图案。比如NFC天线之类的可伸缩电极以及可拉伸电路目前，各种材料被广泛研究并应用于柔性设备的制造中。其中，液晶材料因其出色的流动性与应变适应性，在柔性电子、人机交互以及软体机器人领域展现出广阔的应用前景。
LM结构的精确度直接影响着该设备的集成密度。不过，大幅减小结构尺寸后，该设备的电学响应性能会有显著提升，其宏观性能也会得到改善。通道填充是一种标准的微结构加工技术，通过将液态金属填充到预先制备好的通道中，从而形成复杂的图案。该方法依赖于预先制作好的封闭型微通道结构，然后通过激光熔覆工艺进行填充。虽然该技术已经相当成熟，但仍然容易产生气泡、填充不彻底的问题，同时在微通道的拐角处以及长流道区域内容易出现界面缺陷。在受到弯曲或循环载荷的作用下，这些缺陷可能导致微通道泄漏。而模板印刷则是一种较为成熟的图案化制造方法。该技术能够快速打印出复杂的激光微结构图案。模板印刷工艺相对简单，模板也可以重复使用。不过，打印出的图案的分辨率受到模板本身的限制，而且打印出来的结构边缘可能会比较粗糙。目前，直接书写式打印是一种常用的微结构加工方法。该技术通过基板的移动，使高粘度流体从细小的喷嘴中喷出，从而形成所需的功能性图案。这样一来，就无需使用复杂的模具或模板，大大缩短了生产周期。通过选择不同的喷嘴，这种直接书写式打印技术能够按需制造出各种结构。
电液动力打印技术利用外部电场的作用，将流体从喷嘴中喷出。通过电场产生的剪切力，可以进一步精确控制流体喷射的方向和速度，从而能够在基板上以更高的精度制造出各种功能结构。这些优点使得该技术能够灵活地制造出不同尺寸的微结构。另外，微结构的体积可以在打印过程中确定，并被限制在预定的区域内。之后，该区域会被完全封装起来，从而有效防止微结构中的物质泄漏。目前，人们通常使用将微粒与各种流体混合而成的复合墨水来进行直接打印，这样可以更精确地控制微结构的形状和尺寸。
这项研究利用电液动力打印技术，使用相同的喷嘴制造出直径各不相同的LM微线。所制造的LM微线宽度可在30到300微米之间，而且可以利用这种技术连续打印出几米长的微线。研究人员利用这种简单的LM微线结构制造出了能够检测0到300%范围内应变的传感器。该传感器能够检测到低至0.008%的微小应变，并且能在80%的应变状态下承受数千次拉伸测试。此外，电液动力打印技术还有望被用于制造各种精细结构，比如带有特定图案的电路，以及用于传感器和执行器的功能性结构。
泰锋科创（https://www.taifscitech.com）通过研究电液动力打印技术，成功的找到了另一条技术路线，采用直写的方式成功的打印出手型电路。
LM油墨的成分与特性
聚吡咯烷酮（PVP）具有成膜性、粘附性以及良好的胶体保护作用。经过超声处理后，会形成直径约为3-5微米的颗粒，这些颗粒随后被溶解在含有PVP的癸醇溶液中。研究中，还加入了适量的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微球，以支撑EGaIn微球，从而提升打印结构的抗拉强度。图
a 墨水成分的示意图。b 打印设备的示意图。c 稳定的锥形喷射方式。d, i 打印出宽度不同的微导线。d, iii 打印出毫米级的微导线。d, iii 连续打印出4米长的微导线。e打印出的哪吒图案
打印设备与微导线打印技术
图1b展示了一种利用LM墨水实现的电液动力打印装置。该装置由三轴位移台、信号发生器、电压放大器、注射泵以及打印针头组成。注射泵负责向打印针头的供应端持续供给LM墨水。打印针头的外壁与高压放大器相连，而基底则与高压电源的接地端相连，从而在针头尖端与基底之间形成电场。在电场的作用下，墨水会发生强制剪切作用，从而从针头尖端喷出锥形墨滴。在机械拉力的作用下，基底快速移动，进一步使墨滴形状更加精确。关于喷射力的详细分析请参见补充图S3。使用160微米的针头时，通过调节电场强度，可以生成稳定的锥形墨滴（见图1c）。打印过程的视频可见于补充视频1。通过基底的移动，可以打印出长度为数米的微导线，其长度可超过4米且打印过程不会中断
TPU基材薄膜具有出色的柔韧性，因此能为LM微线的打印制造提供理想的基底条件。在特定的拉伸范围内，LM微线能够随着弹性体的变形而发生相应的变化。图3a展示了一种利用LM微线制成的可拉伸式应变传感装置。在电液动力打印过程中，通过调整液体流速、电压和基材移动速度等参数，可以轻松实现不同线宽的微线打印，甚至还能实现线宽的渐变效果。这样一来，就无需再制作复杂的结构或使用复杂的模板了。图3b显示了在不同拉伸状态下，不同直径的LM微线的电阻变化情况。可以看出，直径较大的微线在拉伸后的电阻变化较小；而线径越细的微线，其初始电阻越高。拉伸所导致的电阻变化与初始电阻值有关，因此线径越细的微线，其电阻变化也就越大。这说明，线径越细的LM微线，其对应变的敏感度也就越高。
a利用LM微线制成的可拉伸应变传感装置。b在不同拉伸状态下，LM微线的电阻随其直径的变化而变化。c在不同的拉伸长度下，LM微线的电阻变化情况（小图显示了位移台的移动范围，其移动距离分别为20、10、5和2微米）。d在不同拉伸条件下，微线两端的I-V曲线。e在各种拉伸程度下，微线电阻的周期性变化情况。f在不同拉伸条件下，微线电阻的稳定情况。g微线在经过1周至180天的拉伸处理后，其电阻响应的变化情况。h经过2500次拉伸循环后，微线的电阻响应变化情况。
选用了打印宽度为75微米的LM微线进行电机械性能测试。图3c展示了高精度位移台的实验结果：当LM微线发生2微米的变形时（相当于0.008%的应变），其电阻值也会相应发生变化。这些测试是使用原位电子显微镜位移台进行的，详见补充图S4b。在不同拉伸条件下，对LM微线两端的I-V曲线进行了测量（见图3d）。结果表明，在0-150%的应变范围内，I-V曲线呈线性关系，这一结果与欧姆定律相符。
LM微丝的电阻变化率定义为：δ = ΔR/R0。其中，R0而ΔR则是指当前电阻值与R0之间的差值。图3e展示了在循环测试过程中，当微丝所承受的应变从0%增加到100%时，其电阻的变化情况。在不同拉伸条件下，电阻变化呈现出对称的趋势。在1200秒的时间内，电阻值保持稳定（见图3f（见图3g）。另外，我们还研究了LM微丝在长期拉伸应力作用下的电阻变化情况。经过2500次拉伸循环后（应变率为75%），其电阻值仍然保持稳定，且电阻变化率低于0.1%。此外，微丝的结构也保持完好，没有出现LM材料的泄漏现象。这些测试结果表明，LM微丝能够在较大的应变范围内实现高灵敏度的传感功能。
此外，使用TPU基板制成的LM微导线装置也有助于LM的回收与再利用。通过溶解基板并经过离心处理，就可以实现LM的回收利用，进而再次用于制造微导线。这一做法非常符合资源再利用和环保理念。
基于LM微丝应变传感器的手势识别技术
通过电液动力打印技术，人们制造出了结构简单的LM微米级传感器。这种传感器具有出色的应变检测能力，而可伸缩的TPU材料则确保了其在各种应变条件下的良好性能。LM微导线被TPU薄膜包裹起来，其两端有连接端子，从而构成了一个极其灵敏的应变传感器。图4a展示了该传感器在手势识别中的应用。在手势识别过程中，五个LM微米级传感器被分别安装在五个手指上。这些传感器产生的电阻信号会被数字采集电路同步收集，然后传输到主机计算机中（见图4b）。
a 手势识别原理图。b 手势信号采集与识别模块。c 表示数字1-9的手势。d 与数字1-9对应的手势信号特征（补充图S6中列出了1-10种手势所对应的完整信号信息）。