柔性電子產品的爆炸式發(fā)展給許多技術和生活領域帶來了重大變化，如可穿戴電子產品、飛機和機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設備、人機交互技術和微型光電設備。電阻應變傳感器以其顯著的靈敏度和簡單的結構和讀出電路為特征，廣泛應用于可穿戴應變傳感設備中，用于人體運動信號監(jiān)測，有助于精確檢測各種信號，包括關節(jié)運動、聲音、表情、呼吸和脈搏。為了在不影響正常人類活動的情況下獲取從弱脈沖信號到大應變關節(jié)運動信號的信號，需要具有高靈敏度和寬范圍的柔性應變傳感器。然而，增加設備的靈敏度可能會以減小其范圍為代價，反之亦然。這是因為增加靈敏度會加速電活性材料的耗盡，而增加范圍會減緩其耗盡。

為了提高應變傳感器的靈敏度，大量先前的研究報道了基于裂紋的電阻應變傳感器可以獲得高靈敏度。在拉伸過程中改變電極開裂率和裂紋形態(tài)是調節(jié)電阻應變傳感器響應的有效手段，這可以通過傳感器的結構設計和材料系統的更新來實現。為了進一步提高靈敏度，已經研究了各種結構設計，包括模仿蝎子和蜘蛛感覺功能的狹縫結構，以及具有負泊松比的超材料。盡管取得了這些進步，但這些高靈敏度傳感器的測量范圍仍然受到限制。為了適應更廣泛范圍的需求，研究人員研究了通過在裂紋材料下方分層二維材料來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構來減輕電活性材料的直接應力響應，從而減緩其耗散速率。然而，由于機械性能的差異，引入各種材料會增加傳感器故障的風險，褶皺和彎曲設計的復雜性可能會使制造過程復雜化，從而可能阻礙商業(yè)可行性。

液態(tài)金屬具有優(yōu)異的拉伸和導電能力，在可拉伸電極領域有廣泛的應用，包括互連引線、自愈導體和應變傳感器。為了追求更寬的測量范圍，一些研究將重點從基于裂紋的應變傳感器轉移到液態(tài)金屬。以優(yōu)異的拉伸性能為特征，可以避免材料系統內的應力失配，液態(tài)金屬基應變傳感器能夠達到超過500%的范圍。盡管如此，如此寬的范圍對于檢測人類菌株信號來說是過度的，通常低于100%，并且伴隨著靈敏度降低，難以捕捉微弱的信號，如脈沖。此外，液態(tài)金屬的優(yōu)良導電性導致敏感單元中的基極電阻降低，放大了引線的應變響應，并可能在應變測量過程中引入大量無效信號。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量范圍的應變傳感器以用于人類應用仍然是一個重要的研究領域。

本研究從歷史文物竹簡中汲取靈感，竹簡由剛性條帶通過柔性線交織在一起組成，形成了一個有凝聚力和可滾動的實體。這種轉變使天然堅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。竹簡的適應性增強，增加了它們的儲存能力，使它們易于直接歸檔和運輸?；诠爬系闹窕瑯嬙旒夹g，我們提出了一種方法，即沿著單個竹板的相對邊緣戰(zhàn)略性地放置軟線，有助于將其組裝成一個統一的結構。在這一概念的隱喻應用中，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，以恢復整體的平滑導電路徑。這種創(chuàng)新策略能夠將電氣路徑從平行于伸長軸的方向重新配置為垂直于伸長軸，從而動態(tài)修改導電網絡以響應機械變形。與通過改變傳感器的材料[或結構來改變電活性材料分散率的傳統策略不同，這項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節(jié)柔性電阻應變傳感器的響應。該策略適用于各種彈性材料，由于其出色的延展性（即破壞應變>0.5），本研究中使用了熱塑性聚氨酯（TPU，法國路博潤的TecoflexSG-80A）。

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

2. 本工作提出了傳感器響應（或性能）的二次調制，不僅允許在制造過程中通過液態(tài)金屬圖案化進行電調制，還允許在使用時通過預拉伸進行機械調制。

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，以實現與傳統織物相似的透氣性，并具有超過2000次循環(huán)的循環(huán)耐久性。

圖1. 超高靈敏度、大范圍織物應變傳感器，靈感來自中國古代竹簡。a 傳感器及其潛在應用的示意圖。b傳感器的三維結構和拉伸后鍍鉑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橫向應變ε拉伸=0.3時鍍鉑TPU纖維墊的SEM圖像。e四種不同電極的電氣故障應變和最大應變系數：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，重疊長度為：l=10 mm。f本文提出的織物應變傳感器與文獻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)金屬的應變傳感器的工作機制。a四種不同電極的響應：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，重疊長度為：l=10 mm。b作為應變傳感器的剝離紙上涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的鍍鉑TPU纖維墊的光學照片。c圖S4中SEM圖像的紅色虛線框部分在0.3應變下的放大倍數。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）的電場分布的云圖。f和g分別是沿X和Y方向施加電勢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，纖維和整個鍍鉑TPU纖維的電極電路在受到張力時的電氣故障示意圖。

圖3. 鍍鉑TPU纖維墊織物應變傳感器涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的響應行為。a 傳感器的示意性3D結構和圖案化液態(tài)金屬的幾何特征尺寸。重疊長度：l，間距：w，角度：θ。b原始、拉伸、彎曲和扭曲狀態(tài)下制造的應變傳感器的光學圖像。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是應變傳感器的響應測試，分別通過改變圖案化液態(tài)金屬的幾何尺寸（間距w、重疊長度l和角度θ）獲得。黑色曲線顯示為沒有邊緣鎖定液態(tài)金屬的對照組。f應變傳感器在0.1至0.4 Hz范圍內的各種頻率下的動態(tài)穩(wěn)定性。應變傳感器在0.001至0.4的g小應變和0.5至0.9的h大應變下的動態(tài)穩(wěn)定性。g和h中的插圖是放大的細節(jié)。i傳感器的準靜態(tài)響應隨應變每30秒增加0.1，從0增加到0.7。j 0.7循環(huán)應變下的長時間電響應，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構的液態(tài)金屬的SEM圖像。c鍍鉑TPU纖維墊在0.25Hz下100%循環(huán)應變下涂覆液態(tài)金屬2000次循環(huán)的長期電響應。d在鍍鉑TPU纖維墊上涂覆液態(tài)金屬后，經過大量拉伸循環(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)金屬的長期電穩(wěn)定性。f水蒸氣透過鍍鉑TPU墊（涂有液態(tài)金屬）的光學照片。g傳統布料、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應變傳感器的電阻變化率與相對濕度的關系。

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