柔性電子產(chǎn)品的爆炸式發(fā)展給許多技術(shù)和生活領(lǐng)域帶來(lái)了重大變化，如可穿戴電子產(chǎn)品、飛機(jī)和機(jī)器人的智能電子皮膚、微空氣飛行器、高效的能量收集和存儲(chǔ)設(shè)備、人機(jī)交互技術(shù)和微型光電設(shè)備。電阻應(yīng)變傳感器以其顯著的靈敏度和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和讀出電路為特征，廣泛應(yīng)用于可穿戴應(yīng)變傳感設(shè)備中，用于人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，有助于精確檢測(cè)各種信號(hào)，包括關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、聲音、表情、呼吸和脈搏。為了在不影響正常人類活動(dòng)的情況下獲取從弱脈沖信號(hào)到大應(yīng)變關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的信號(hào)，需要具有高靈敏度和寬范圍的柔性應(yīng)變傳感器。然而，增加設(shè)備的靈敏度可能會(huì)以減小其范圍為代價(jià)，反之亦然。這是因?yàn)樵黾屿`敏度會(huì)加速電活性材料的耗盡，而增加范圍會(huì)減緩其耗盡。

為了提高應(yīng)變傳感器的靈敏度，大量先前的研究報(bào)道了基于裂紋的電阻應(yīng)變傳感器可以獲得高靈敏度。在拉伸過(guò)程中改變電極開裂率和裂紋形態(tài)是調(diào)節(jié)電阻應(yīng)變傳感器響應(yīng)的有效手段，這可以通過(guò)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料系統(tǒng)的更新來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步提高靈敏度，已經(jīng)研究了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括模仿蝎子和蜘蛛感覺功能的狹縫結(jié)構(gòu)，以及具有負(fù)泊松比的超材料。盡管取得了這些進(jìn)步，但這些高靈敏度傳感器的測(cè)量范圍仍然受到限制。為了適應(yīng)更廣泛范圍的需求，研究人員研究了通過(guò)在裂紋材料下方分層二維材料來(lái)改變電活性材料在穿透裂紋中的行為的可能性。此外，有人提出引入褶皺或彎曲結(jié)構(gòu)來(lái)減輕電活性材料的直接應(yīng)力響應(yīng)，從而減緩其耗散速率。然而，由于機(jī)械性能的差異，引入各種材料會(huì)增加傳感器故障的風(fēng)險(xiǎn)，褶皺和彎曲設(shè)計(jì)的復(fù)雜性可能會(huì)使制造過(guò)程復(fù)雜化，從而可能阻礙商業(yè)可行性。

液態(tài)金屬具有優(yōu)異的拉伸和導(dǎo)電能力，在可拉伸電極領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，包括互連引線、自愈導(dǎo)體和應(yīng)變傳感器。為了追求更寬的測(cè)量范圍，一些研究將重點(diǎn)從基于裂紋的應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬。以優(yōu)異的拉伸性能為特征，可以避免材料系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力失配，液態(tài)金屬基應(yīng)變傳感器能夠達(dá)到超過(guò)500%的范圍。盡管如此，如此寬的范圍對(duì)于檢測(cè)人類菌株信號(hào)來(lái)說(shuō)是過(guò)度的，通常低于100%，并且伴隨著靈敏度降低，難以捕捉微弱的信號(hào)，如脈沖。此外，液態(tài)金屬的優(yōu)良導(dǎo)電性導(dǎo)致敏感單元中的基極電阻降低，放大了引線的應(yīng)變響應(yīng)，并可能在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中引入大量無(wú)效信號(hào)。鑒于高靈敏度通常伴隨著有限的范圍，而更寬的范圍通常伴隨著較低的靈敏度，因此開發(fā)既高靈敏度又具有寬測(cè)量范圍的應(yīng)變傳感器以用于人類應(yīng)用仍然是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

本研究從歷史文物竹簡(jiǎn)中汲取靈感，竹簡(jiǎn)由剛性條帶通過(guò)柔性線交織在一起組成，形成了一個(gè)有凝聚力和可滾動(dòng)的實(shí)體。這種轉(zhuǎn)變使天然堅(jiān)硬的竹子變成了更柔軟的形狀，賦予了它易于彎曲和卷曲的能力。竹簡(jiǎn)的適應(yīng)性增強(qiáng)，增加了它們的儲(chǔ)存能力，使它們易于直接歸檔和運(yùn)輸?；诠爬系闹窕瑯?gòu)造技術(shù)，我們提出了一種方法，即沿著單個(gè)竹板的相對(duì)邊緣戰(zhàn)略性地放置軟線，有助于將其組裝成一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。在這一概念的隱喻應(yīng)用中，液態(tài)金屬在我們的研究中被用作“繩索”，以有效地“鎖定”可拉伸電極金屬層內(nèi)的裂縫邊緣。邊緣鎖定液態(tài)金屬將分散的電碎片連接在一起，以恢復(fù)整體的平滑導(dǎo)電路徑。這種創(chuàng)新策略能夠?qū)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/2364/" target="_blank">電氣路徑從平行于伸長(zhǎng)軸的方向重新配置為垂直于伸長(zhǎng)軸，從而動(dòng)態(tài)修改導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以響應(yīng)機(jī)械變形。與通過(guò)改變傳感器的材料[或結(jié)構(gòu)來(lái)改變電活性材料分散率的傳統(tǒng)策略不同，這項(xiàng)工作提出了一種改變已建立的電活性材料的裂解電通路的新策略，該策略能夠有效地調(diào)節(jié)柔性電阻應(yīng)變傳感器的響應(yīng)。該策略適用于各種彈性材料，由于其出色的延展性（即破壞應(yīng)變>0.5），本研究中使用了熱塑性聚氨酯（TPU，法國(guó)路博潤(rùn)的TecoflexSG-80A）。

1. 本工作提出了一種使用液態(tài)金屬調(diào)制可拉伸電極裂紋中電氣通路的方法，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度（>10⁸）和大范圍（>100%）應(yīng)變傳感器。

2. 本工作提出了傳感器響應(yīng)（或性能）的二次調(diào)制，不僅允許在制造過(guò)程中通過(guò)液態(tài)金屬圖案化進(jìn)行電調(diào)制，還允許在使用時(shí)通過(guò)預(yù)拉伸進(jìn)行機(jī)械調(diào)制。

3. 圖案化液態(tài)金屬電極區(qū)域的透氣性和穩(wěn)定性被優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)織物相似的透氣性，并具有超過(guò)2000次循環(huán)的循環(huán)耐久性。

圖1. 超高靈敏度、大范圍織物應(yīng)變傳感器，靈感來(lái)自中國(guó)古代竹簡(jiǎn)。a 傳感器及其潛在應(yīng)用的示意圖。b傳感器的三維結(jié)構(gòu)和拉伸后鍍鉑TPU薄膜或TPU纖維墊的示意圖。c鍍鉑TPU纖維墊在離型紙上涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的光學(xué)圖像（頂部）。圖案化液態(tài)金屬邊緣的SEM圖像局部放大（底部）。d橫向應(yīng)變?chǔ)爬?0.3時(shí)鍍鉑TPU纖維墊的SEM圖像。e四種不同電極的電氣故障應(yīng)變和最大應(yīng)變系數(shù)：鍍鉑TPU薄膜、鍍鉑TPU纖維墊、涂有鎖邊液態(tài)金屬的鍍鉑TPU膜和涂有鎖邊緣液態(tài)金屬的鍍層TPU纖維墊。液態(tài)金屬的間距為：w=3 mm，重疊長(zhǎng)度為：l=10 mm。f本文提出的織物應(yīng)變傳感器與文獻(xiàn)中其他基于裂紋或液態(tài)金屬的傳感器的性能比較。

圖2. 鍍鉑TPU纖維墊涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的應(yīng)變傳感器的工作機(jī)制。a四種不同電極的響應(yīng)：鍍鉑TPU薄膜、鍍鉑TPU纖維墊、涂有鎖邊液態(tài)金屬的鍍鉑TPU膜和涂有鎖邊緣液態(tài)金屬的鍍層TPU纖維墊。液態(tài)金屬的間距為：w=3 mm，重疊長(zhǎng)度為：l=10 mm。b作為應(yīng)變傳感器的剝離紙上涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的鍍鉑TPU纖維墊的光學(xué)照片。c圖S4中SEM圖像的紅色虛線框部分在0.3應(yīng)變下的放大倍數(shù)。圖中的綠線顯示了電極的邊緣。d和e分別是鍍鉑TPU纖維墊電極在涂覆邊緣鎖定液體金屬之前（d）和之后（e）的電場(chǎng)分布的云圖。f和g分別是沿X和Y方向施加電勢(shì)U0后的電流密度云圖。h和i分別是施加邊緣鎖定液態(tài)金屬之前和之后，纖維和整個(gè)鍍鉑TPU纖維的電極電路在受到張力時(shí)的電氣故障示意圖。

圖3. 鍍鉑TPU纖維墊織物應(yīng)變傳感器涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的響應(yīng)行為。a 傳感器的示意性3D結(jié)構(gòu)和圖案化液態(tài)金屬的幾何特征尺寸。重疊長(zhǎng)度：l，間距：w，角度：θ。b原始、拉伸、彎曲和扭曲狀態(tài)下制造的應(yīng)變傳感器的光學(xué)圖像。傳感器中圖案化液態(tài)金屬的幾何特征尺寸：l=10mm，w=3mm，θ=0°。c–e是應(yīng)變傳感器的響應(yīng)測(cè)試，分別通過(guò)改變圖案化液態(tài)金屬的幾何尺寸（間距w、重疊長(zhǎng)度l和角度θ）獲得。黑色曲線顯示為沒有邊緣鎖定液態(tài)金屬的對(duì)照組。f應(yīng)變傳感器在0.1至0.4 Hz范圍內(nèi)的各種頻率下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。應(yīng)變傳感器在0.001至0.4的g小應(yīng)變和0.5至0.9的h大應(yīng)變下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。g和h中的插圖是放大的細(xì)節(jié)。i傳感器的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)隨應(yīng)變每30秒增加0.1，從0增加到0.7。j 0.7循環(huán)應(yīng)變下的長(zhǎng)時(shí)間電響應(yīng)，頻率為0.25 Hz，持續(xù)2000次循環(huán)。

圖4. a邊緣鎖定液態(tài)金屬的穩(wěn)定性和滲透性。使液態(tài)金屬透氣的工藝示意圖。b具有保持電連接的多孔結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬的SEM圖像。c鍍鉑TPU纖維墊在0.25Hz下100%循環(huán)應(yīng)變下涂覆液態(tài)金屬2000次循環(huán)的長(zhǎng)期電響應(yīng)。d在鍍鉑TPU纖維墊上涂覆液態(tài)金屬后，經(jīng)過(guò)大量拉伸循環(huán)后，液態(tài)金屬保持連接的示意圖。e鍍鉑TPU墊涂覆液態(tài)金屬的長(zhǎng)期電穩(wěn)定性。f水蒸氣透過(guò)鍍鉑TPU墊（涂有液態(tài)金屬）的光學(xué)照片。g傳統(tǒng)布料、TPU纖維墊、鍍鉑TPU纖維墊和鍍鉑液態(tài)金屬TPU纖維墊在25°C溫度和50%濕度下的滲透性。h應(yīng)變傳感器的電阻變化率與相對(duì)濕度的關(guān)系。

圖5. 演示從微小應(yīng)變到大應(yīng)變的全身運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。a 可以在人體不同部位檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)的示意圖。b直接和預(yù)拉伸后將應(yīng)變傳感器連接到皮膚表面的過(guò)程示意圖。c預(yù)拉伸前后附著在手腕上的應(yīng)變傳感器檢測(cè)到的脈搏信號(hào)的比較。插圖是附著在手腕上的應(yīng)變傳感器的光學(xué)照片。d放大并比較c中的信號(hào)。e應(yīng)變傳感器附著在面部，用于檢測(cè)咀嚼、發(fā)音和做鬼臉時(shí)的信號(hào)。f應(yīng)變傳感器附著在喉嚨的外表面，以檢測(cè)咳嗽和吞咽時(shí)的信號(hào)。g應(yīng)變傳感器連接在胸部，用于檢測(cè)呼吸信號(hào)。h手腕后部安裝應(yīng)變傳感器，用于檢測(cè)手腕彎曲的信號(hào)。i手指上應(yīng)變傳感器在不同彎曲角度0°、30°、60°和90°下的電阻變化率。j手指上應(yīng)變傳感器的光學(xué)圖像。