摘要：触觉是个人了解世界和与外部环境建立沟通的主要手段。人手的触觉取决于皮肤真皮表皮层中的各种机械感受器，以及棘突，棘突在增强机械感知方面起着关键作用。同时，受体嵌入皮肤组织并与周围组织一起生长，形成坚固耐用的界面。这些层之间的这种牢固的相互连接使皮肤能够在各种变形

第一作者：Haoyu Li

通讯作者：Feng Chen，Qing Yang

通讯单位：西安交通大学

DOI: 10.1002/advs.202413233

背景介绍

触觉是个人了解世界和与外部环境建立沟通的主要手段。人手的触觉取决于皮肤真皮表皮层中的各种机械感受器，以及棘突，棘突在增强机械感知方面起着关键作用。同时，受体嵌入皮肤组织并与周围组织一起生长，形成坚固耐用的界面。这些层之间的这种牢固的相互连接使皮肤能够在各种变形中正常工作，如拉伸、扭转、弯曲，并显示出高空间分辨率。我们手中这些错综复杂的神经和感觉受体网络使我们能够毫不费力地准确感知物体并与之互动，例如抓握物体、演奏乐器和用笔写字。受大自然设计的启发，科学家们开发了柔性压力传感器或电子皮肤（e-skin），模拟人类皮肤感知外部环境刺激的能力。这些电子皮肤能够将外部物理刺激转化为电信号，同时保持与天然人体皮肤相同的柔韧性和可拉伸性。与基于刚性材料和网络的传统电子设备相比，电子皮肤在机器人触觉感知、可穿戴电子设备和智能医疗方面具有巨大的潜力。目前，人们已投入大量精力开发用于生产高性能电子器件的创新材料，如主要由ITO、碳纳米管、金属（Au、Ag和Cu）纳米线、导电聚合物等制备的柔性压力传感器。然而，这些电极材料在柔性或导电性方面存在局限性，与软皮肤和组织缺乏相容性，在变形下无法正常工作。

近年来，镓基液态金属（LM）因其优异的导电性/导热性、低蒸气压、固有的流动性和可拉伸性以及良好的生物相容性而受到广泛关注。LM在各种电子皮肤组件中显示出巨大的潜力，如可拉伸电极/电路、柔性互连、柔性致动器、柔性开关设备等。然而，对于柔性机械传感器等重要类别的组件，需要提高基于LM的设备的性能。电容式压力传感器因其简单的设计、出色的稳定性、低功耗和温度无关性而广受好评。微结构的引入已被证明能有效提高压力传感器的灵敏度。具体而言，微结构电极的制备可以显著提高其压力灵敏度。然而，由于LM是非晶液相，并且由于其较大的表面张力和外部氧化镓包覆的存在，因此很难在具有微米或纳米级结构的表面上打印LM。LM在材料表面的印刷本质上是一个表面润湿性问题。大多数研究人员使用亲金属Cu和Au作为中间层来提高LM和基板的表面亲和力。然而，刚性金属影响了LM的固有拉伸性能，极大地限制了传感器的可拉伸性。因此，有必要突破LM在结构化弹性基板上的润湿性限制，提高基于LM的压力传感器的传感性能。

为了满足更复杂的应用场景，电子皮肤不仅应具有高压灵敏度，还应具有传感器阵列的稳定性，能够承受各种变形，同时最大限度地减少像素之间的串扰，以确保精确的测量。例如，在机器人或假肢应用中，电子皮肤需要适应不规则表面或进行拉伸和弯曲运动。现有的电子皮肤或柔性压力传感器通常具有多层设备配置。然而，界面结合的缺失导致信号稳定性不足，在弯曲、扭转和拉伸过程中容易发生分离。因此，这会导致像素点的相对位移和随后的信号失真。因此，这些设备在复杂的机械变形下有效运行面临挑战，例如机器人识别曲面图案的操作（需要传感器变形以在表面上进行共形接触）。此外，在处理表面上的复杂图案或精细细节时，最大限度地减少像素之间的串扰变得越来越重要，因为相邻像素之间的不必要干扰会导致触觉信息的不准确测量或误解。通常，由于共享平面引起的应力分散，预计感测单元之间会发生信号串扰。当外部压力施加到像素上时，其变形不可避免地传播到周围区域，从而引发相邻像素的响应。虽然系统校准通常用于减轻不希望的信号，但它需要复杂的电路和额外的能耗。今后，开发将这些现象最小化的技术或设计将大大有助于在复杂的应用场景中实现精确测量。

本文亮点

1. 受皮肤组织结构的启发，本工作制造了一种由液态金属微结构电极（LM-ME）阵列组成的嵌入式液态金属电子皮肤，用于弯曲压力标测。

4. 与具有共享表面的传统柔性传感器相比，嵌入式结构和激光诱导凸块有效地将串扰从58%降低到7.8%。

图文解析

图1. 设计灵感来自人体皮肤的柔软触觉界面。a） 与手指皮肤棘突结构和嵌入式触觉感受器类似，基于LM的全软电子皮肤可以感知曲面上的图案。b、 c）带有凸起的上层和带有嵌入微代码的下层的激光加工示意图，以及相应的SEM图。d） 柔性电容式压力传感器阵列的分解示意图。e） 嵌入式LM-ME示意图，它是电子皮肤的关键部件。f） 原始PDMS和嵌入式LM-ME的光学图像。g）压力传感器阵列在原始、拉伸和弯曲状态下的数码照片。

图2. 嵌入式LM-ME的制备和表征。a，b）LM液滴在原始PDMS表面、fs激光结构PDMS微线表面和水润湿激光结构PDMS-表面上的动态润湿行为。插入显示了LM在水润湿激光结构化PDMS表面上的高粘附性原理。c） 用于制备LM-ME的LM在微纳米结构上的水/水凝胶辅助图案化方法的示意图。d）LM-ME三个部分的横截面和30°倾斜视图的SEM图像。e）LM-ME在50%应变循环下20000次循环的电阻稳定性。

图3. 全软LM-ME压力传感器的结构和传感特性。a） 嵌入式LM-ME传感器阵列结构示意图。b） 组装好的传感器单元的横截面的SEM图像。c） LM-ME传感器和没有LM-ME的传统传感器的电容随压力的归一化变化。d）检测限（LOD）。e） 滞后试验的连续加载和卸载过程。f） 反应和放松时间。g） 在1 kPa的压力下，传感器负载超过10000次的工作稳定性测试。示意图显示了测试平台和不同机械变形下传感器电容随压力的归一化变化。h） 在圆柱形表面上实现了传感器在弯曲下的测试。i） 在球面上实现了传感器在弯曲和拉伸下的测试。

图4. 带支撑层的嵌入式LM-ME传感器阵列的机械和电气稳定性测试。a、 b）当传感器在运动过程中附着在手腕上时，传感器阵列在有或没有支撑层的情况下的界面稳定性。c） 两种配置的剥离力与位移的函数关系。d） 两种构型的界面韧性和断裂极限。e） 有支撑层和无支撑层的传感器阵列在0至2 mm的拉伸位移下的模拟结果应力分布。与后者相比，支撑层能够产生较小的局部应变。f） 弯曲和拉伸下传感器阵列的数码照片和电容响应。g） 传感器阵列在圆柱形（弯曲传感器阵列）和球形（弯曲和拉伸传感器阵列）表面施加压力下的数码照片和电容响应。传感器阵列在各种机械变形和不同曲面上具有良好的稳定性。h） 支撑层和凸起的串扰抑制。

图5. 使用无线信号采集系统在曲面上绘制压力图。a） 无线信号读出电路图。b） 动态刺激的数码照片和测试结果，包括单点触摸和多点触摸。c） 触摸轨迹的数码照片和测试结果：画一个勾号并叠加所有信号。d） 用于在3D打印的球体模型上绘制弯曲压力图的传感器阵列的数码照片。e） 传感器阵列在用弯曲字母“S”按压球面时的动态触觉识别过程示意图和信号映射。f） 深度学习信号处理流程图。g） 压力传感器阵列的信号映射，用于识别弯曲字母“SOFT”。h） 测试的26个弯曲字母的混淆图显示，识别准确率为99.7%。

来源：小杨科技每日一讲