柔性、可穿戴的傳感器是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的核心元件。人的皮膚可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類應(yīng)變（如彎曲、壓縮、拉伸和扭轉(zhuǎn)）位置和大小的精準(zhǔn)感受，然而目前的電子傳感器仍難以達(dá)到這一水平。盡管將單點(diǎn)式傳感器排列成陣列可以提供較好的位置和強(qiáng)度感應(yīng)，但是密集陣列的制備更為復(fù)雜，并且易損壞。纖維基傳感器的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了傳感器的制備工藝，但是由于在同一時(shí)間檢測(cè)的物理信號(hào)（電阻、光強(qiáng)等）單一，仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種應(yīng)變模式的同時(shí)檢測(cè)。
電時(shí)域反射式傳感器同時(shí)具有檢測(cè)應(yīng)變位置和種類的能力。其工作原理是基于傳輸線內(nèi)阻抗不匹配會(huì)引起信號(hào)脈沖的反射和波形變化，通過(guò)檢測(cè)反射脈沖的傳輸時(shí)間和變化，就可以判斷應(yīng)變的位置和類型。然而傳統(tǒng)的電時(shí)域反射是傳感器都是基于硬導(dǎo)體傳輸線制備的，較差的應(yīng)變性使其無(wú)法用于柔性傳感器的制備，并且降低了傳感器對(duì)應(yīng)變大小的感應(yīng)能力。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Fabien Sorin團(tuán)隊(duì)采用室溫液態(tài)金屬Ga-In-Sn作為導(dǎo)體，SEBS彈性體作為介電外殼，構(gòu)建了一種新型柔性傳輸線，該傳輸線可通過(guò)簡(jiǎn)單的熱拉伸工藝大規(guī)模制備。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)用作時(shí)域反射式傳感器時(shí)，液態(tài)金屬傳輸線可提供200倍于傳統(tǒng)金屬傳輸線的應(yīng)變感應(yīng)靈敏度，其應(yīng)力分辨率達(dá)到了0.2 N，應(yīng)變位置感應(yīng)誤差小于6 cm。此外，該傳感器還可感知拉伸應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變。為說(shuō)明該傳輸線在柔性傳感器中的應(yīng)用，傳輸線被集成到50 50 cm2的可拉伸織物上，并在拉伸狀態(tài)下同時(shí)檢測(cè)多個(gè)位點(diǎn)的壓力。
柔性傳輸線的制備
通過(guò)熱拉伸工藝，可以制備具有復(fù)雜截面結(jié)構(gòu)的傳輸線。該工藝包含了前驅(qū)體的熱壓成型和前驅(qū)體熱拉伸成纖維兩個(gè)步驟。為保證加工過(guò)程中截面形狀不發(fā)生改變，具有較高流動(dòng)粘性的SEBS彈性體被選為介電外殼。通過(guò)熱壓成型，先制備出具有指定截面結(jié)構(gòu)后的前驅(qū)體，然后再通過(guò)拉伸設(shè)備拉伸成纖維。根據(jù)孔徑大小，液態(tài)金屬Ga-In-Sn既可在拉伸過(guò)程中注入，也可在拉伸后注入。這一工藝最為突出的優(yōu)點(diǎn)是可以保持在長(zhǎng)軸上傳輸線截面形狀的不變性，該特性對(duì)提高傳輸線靈敏度至關(guān)重要。為對(duì)比傳感性能，作者采用相同工藝制備了以銅為傳導(dǎo)材料的傳輸線。
作為時(shí)域反射式傳感器的特性
為探究最適合用于制備時(shí)域反射傳感器的傳輸線結(jié)構(gòu)，作者首先采用雙線、三角和同軸結(jié)構(gòu)（圖1b）的液態(tài)金屬傳輸線構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)域反射傳感器，分別采集了不同長(zhǎng)度（1 – 5 m）傳輸線自由狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的波形，并從中得出了液態(tài)金屬傳輸線的特征阻抗為89 6 ，信號(hào)在傳輸線中的傳輸速度為1.95 108 m/s。
為保證壓力傳感不受外部介電環(huán)境變化的影響，傳輸線被浸泡在不同相對(duì)介電常數(shù)的液體中（乙醇和水），進(jìn)行測(cè)試（圖2c）。測(cè)試結(jié)果表明三角和同軸結(jié)構(gòu)均具有良好的屏蔽效率，因三角結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，所以三角結(jié)構(gòu)更適合用于制備傳輸線。
為闡述導(dǎo)線材料對(duì)傳輸線特性的影響以及校準(zhǔn)液態(tài)金屬傳輸線的基線，作者進(jìn)一步對(duì)比了液態(tài)金屬和銅傳輸線在不同頻率下的信號(hào)衰減系數(shù)。研究結(jié)果表明，由于液態(tài)金屬的電導(dǎo)率（3.3 106 S/m）比銅（5.8 107 S/m）要低，因此信號(hào)衰減更為嚴(yán)重，并且隨著信號(hào)頻率升高，信號(hào)衰減加?。▓D2f），為抑制頻率依賴性衰減給信號(hào)帶來(lái)的失真，最有效的辦法是采用具有高特征阻抗的三角結(jié)構(gòu)傳輸線。
傳感器對(duì)多位點(diǎn)應(yīng)變和不同種類應(yīng)變的響應(yīng)
為探究基于液態(tài)金屬傳輸線的時(shí)域反射式傳感器對(duì)壓力的響應(yīng)特性，作者采用1 m長(zhǎng)的傳輸線作為模型，分別在同一點(diǎn)位施加不同大小的壓力或在不同點(diǎn)位施加相同大小的壓力，并于具有相同結(jié)構(gòu)的銅傳輸線進(jìn)行對(duì)比。理論和試驗(yàn)結(jié)果表明，液態(tài)金屬超低的彈性模量使其對(duì)應(yīng)力具有更靈敏的相應(yīng)特性，液態(tài)金屬傳輸線對(duì)應(yīng)力大小的響應(yīng)為20 mV/N，而銅傳輸線僅為0.1 mV/N（圖3a）。根據(jù)反射信號(hào)傳輸回示波器的時(shí)間，可以判斷壓力位點(diǎn)距起始端的相對(duì)距離。當(dāng)示波器對(duì)時(shí)間的分辨率為 0.6 ns時(shí)，傳感器的誤差可達(dá) 1 cm（圖3d）。
經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理，傳感器同樣可以探測(cè)多個(gè)位點(diǎn)的壓力信號(hào)（圖3f）。能夠探測(cè)的信號(hào)數(shù)量上線取決于輸入電壓的大小和示波器的電壓分辨率，對(duì)于分辨率為4 mV的示波器，當(dāng)輸入電壓為500 mV時(shí)，可探測(cè)的信號(hào)上限為125個(gè)。多位點(diǎn)信號(hào)探測(cè)的分辨率則具有距離依賴性，當(dāng)壓力位點(diǎn)距起始端越遠(yuǎn)，信號(hào)的分辨率越差（圖3h）。
對(duì)于1 m長(zhǎng)的傳輸線，在0 – 100%的應(yīng)變范圍內(nèi)，信號(hào)傳輸速度和特征阻抗均保持恒定，其力-電遲滯可以忽略。因而當(dāng)傳輸線整體均勻拉伸時(shí)，信號(hào)反射回來(lái)的時(shí)間變長(zhǎng)，利用這一特性，可以探測(cè)傳輸線的整體拉伸（圖3a），其應(yīng)變感應(yīng)誤差僅為0.25%（當(dāng)示波器時(shí)間分辨率為25 ps時(shí)）。然而也是由于上述特性，傳感器無(wú)法感應(yīng)局部拉伸的作用位點(diǎn)（局部拉伸不會(huì)在傳輸線中產(chǎn)生阻抗不匹配）。為解決這一問(wèn)題，可以等間距施加應(yīng)力，將傳感器劃分成不同區(qū)域，人為制造阻抗不匹配，以此來(lái)判斷拉伸發(fā)生的區(qū)域（圖4c）。
作為輔助傳感模式，作者還探討了扭轉(zhuǎn)和彎曲對(duì)傳感器的影響。當(dāng)每米的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到100時(shí)，由于明顯的拉伸應(yīng)變，傳感器的反射信號(hào)會(huì)像正方向偏移。但由于彎曲無(wú)法產(chǎn)生足夠的應(yīng)變，因而無(wú)法被準(zhǔn)確探測(cè)。
基于柔性傳輸線的織物傳感器
通過(guò)將10 m長(zhǎng)的柔性傳輸線以蛇形線布局整合至可拉伸織物，作者制備了可同時(shí)探測(cè)多位點(diǎn)壓力和整體拉伸信號(hào)的柔性織物傳感器，其感應(yīng)面積達(dá)50 50 cm2。結(jié)合可視化界面，該傳感器可清晰地反應(yīng)壓力的位點(diǎn)和大小。當(dāng)對(duì)織物施加軸向拉伸時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的算法，傳感器可同時(shí)給出準(zhǔn)確的壓力的和拉伸力的信息。
總結(jié)與展望
本文提供了一種簡(jiǎn)單的液態(tài)金屬基柔性傳輸線的制備方法，并且通過(guò)控制傳輸線的截面結(jié)構(gòu)，可輕松調(diào)整傳輸線的特征阻抗、屏蔽性和信號(hào)損耗。該傳輸線可用于柔性、大面積的時(shí)域反射式傳感器的制備，并提供超高的靈敏度、高柔性和多位點(diǎn)、多種類應(yīng)力/應(yīng)變傳感，因而在電子織物、可穿戴設(shè)備和機(jī)器人皮膚領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
