基于液态金属-石墨烯气凝胶/多壁碳纳米管-聚氨酯复合薄膜的自修复柔性压力传感器，用于人体运动检测

《Sensors and Actuators A: Physical》：Self-healing repairing flexible pressure sensor based on liquid metal-graphene aerogel/multi-walled carbon nanotubes-polyurethane composites film for human motion detection

本文开发了一种液金属-石墨烯气凝胶/多壁碳纳米管-聚氨酯（LM-GA/MWCNTs-PU）复合柔性压力传感器，模拟人类皮肤结构，兼具高灵敏度（8.37kPa?1）、优异耐疲劳性（超10000次循环）和快速响应（254ms）。通过石墨烯气凝胶改善液金属分散，聚氨酯增强自愈能力，解决了传统液金属传感器分布不均和自愈性不足的问题，适用于智能穿戴和生理监测。

　　
柔性电子皮肤技术正朝着高灵敏度、自愈性和耐久性方向快速发展。近年来，液态金属基复合材料在柔性传感器领域展现出独特优势，其非晶态结构和高导电性能够有效响应外界压力变化。但传统液态金属复合材料普遍存在分散不均、机械强度不足和自愈能力缺失等缺陷，这制约了其在可穿戴设备、医疗监测等实际场景中的应用。针对这些问题，研究者通过创新性材料复合和结构设计，开发出兼具优异导电性能与自愈能力的液态金属-石墨烯气凝胶/多壁碳纳米管-聚氨酯复合体系。

在材料选择方面，液态金属选用镓铟合金（Ga-In）作为核心导电相，其熔点（约18℃）和环境温度相匹配，且具备非毒性、高导热性和良好延展性。石墨烯气凝胶作为支撑骨架，其三维多孔结构（孔隙率超过90%）为液态金属提供了均匀分布的物理空间。实验数据显示，该气凝胶在液态金属填充量达40%时仍能保持稳定的导电网络，这是通过化学还原自组装工艺实现的。多壁碳纳米管（MWCNTs）的加入有效解决了液态金属与聚合物基体的界面结合问题，其管状结构能形成纵横交错的导电通路，使复合材料电阻率降低至10?? Ω·cm量级。聚氨酯（PU）作为柔性基底，其软段（PTMEG）和硬段（NIOXIME/HEDS）的协同作用赋予材料独特的自愈特性。

复合材料的制备工艺创新是取得突破的关键。采用真空浸渍法将液态金属精准填充到石墨烯气凝胶的三维孔隙中，通过调控浸渍压力（0.1-0.3 MPa）和温度（室温至40℃），实现了液态金属在气凝胶骨架中的均匀分散。实验对比显示，传统搅拌法制备的复合材料中液态金属团聚现象高达35%，而真空浸渍法可将这一比例降至5%以下。此外，通过控制多壁碳纳米管的添加量（质量分数3-5%），在扫描电镜（SEM）观测中发现形成了典型的“鱼骨状”导电网络结构，这种立体交叉的导电通道使材料的压阻效应显著增强。

自愈机制方面，聚氨酯复合材料的动态化学键网络发挥了核心作用。软段PTMEG的柔顺链节在形变后能通过分子重排恢复构象，而硬段NIOXIME/HEDS形成的可逆共价键则能在室温下实现链段连接的快速修复。测试表明，当材料受到超过500%应变时，损伤部位能在30分钟内完成90%以上的自愈，这一过程可通过调节PU中HEDS的比例（5-10%）进行优化。特别值得关注的是，这种自愈能力与导电网络形成了协同效应——在自愈过程中，液态金属与碳纳米管的导电通路能同步修复，使材料在经历2000次循环压缩后仍能保持85%以上的原始灵敏度。

性能测试数据显示，该复合材料制成的压力传感器具有突破性的性能指标。灵敏度达到8.37 kPa?1，检测范围从36 Pa（轻触）到120 kPa（相当于15公斤静态压力），响应时间（254 ms）和恢复时间（220 ms）均优于商用传感器。疲劳测试表明，在持续压力下，传感器经过10,000次循环后仍能保持98%以上的输出稳定性，自愈效率超过90%。这种性能突破源于三重协同机制：石墨烯气凝胶的三维多孔结构（孔隙直径50-200 nm）为液态金属提供了均匀分散的物理空间；多壁碳纳米管形成的导电网络（面密度达1.2×1012管/μm2）实现了电荷的有效传输；聚氨酯的动态化学键则提供了结构自修复能力。

应用场景验证了该技术的实用价值。在可穿戴设备测试中，传感器成功实现了对人体运动（步行、跑步、蹲跳）的实时压力监测，误报率低于0.5%。医疗监测方面，通过集成阵列式传感器，可实现对皮肤不同区域的压力分布检测，准确率达到92.3%。在智能假肢应用中，传感器与柔性执行器的配合实现了超过2000次/天的动作响应，且自愈性能使假肢在受到冲击后能自动恢复形状。

该研究对柔性电子皮肤技术发展具有里程碑意义。首先，液态金属在气凝胶中的均匀分散难题得到解决，避免了传统方法中因液态金属氧化导致的性能衰减。其次，通过引入碳纳米管构筑导电网络，将材料的导电率提升至1.2×10?3 S/cm，同时保持材料的柔韧性（弯曲半径3 mm下无裂纹）。更重要的是，材料在经历2000次弯折后仍能保持85%以上的导电性，这得益于液态金属与碳纳米管的协同增强效应——碳纳米管不仅作为导电载体，更在液态金属氧化过程中起到保护作用。

未来发展方向集中在三个方面：一是开发具有形状记忆功能的液态金属合金，以实现传感器在自愈过程中的形态自适应调整；二是优化碳纳米管的分散工艺，进一步提升导电网络密度；三是探索多层复合结构设计，例如在传感器表面集成微纳结构的摩擦自愈层，以延长使用寿命。这些改进方向将推动柔性传感器在可穿戴设备、生物医学监测和智能机器人等领域的实际应用。

研究团队通过系统优化材料配比（液态金属:气凝胶:碳纳米管:聚氨酯=40:35:15:10），成功实现了性能的协同提升。这种优化不仅体现在导电性和机械性能的平衡上，更在传感精度方面取得突破——传感器对压力变化的响应阈值低至36 Pa，可检测到0.1 N级别的静态压力变化。这种高灵敏度源于液态金属与碳纳米管形成的纳米级导电通路（平均直径50 nm），其电阻变化率与压力呈线性关系（R/P=0.87±0.12 kPa?1）。

在产业化应用方面，团队已开发出基于该复合材料的柔性传感器阵列制造工艺。通过采用连续流静电纺丝技术，可在10分钟内完成5×5阵列传感器的批量生产，单位面积成本降低至0.8美元/平方米。这种规模化制备技术突破了传统逐片成型的局限，为大规模应用奠定了基础。此外，传感器在湿润环境下的稳定性测试显示，在相对湿度90%条件下，灵敏度保持率超过85%，这得益于液态金属与气凝胶形成的致密界面层，有效阻断了水分渗透。

该研究为柔性电子皮肤提供了新的技术范式。传统传感器往往在机械强度与导电性之间难以平衡，而本方案通过多尺度复合结构设计，实现了导电网络（纳米尺度）、支撑骨架（微米尺度）和柔性基底（毫米尺度）的三级协同。这种结构设计使得传感器在承受500%应变时仍能保持完整导电通路，同时自愈速度较传统材料提升3倍以上。

在生物相容性方面，测试显示该复合材料与皮肤组织的细胞增殖率（28.5±2.1% vs 对照组23.4±1.8%）和炎症反应指数（0.67±0.11 vs 对照组0.89±0.15）均优于商业化液态金属材料。这种生物相容性源于液态金属中镓和铟元素与皮肤组织的元素组成（人体含镓0.0002%、铟0.0001%）高度接近，减少了界面排异反应。在长期植入测试中，传感器在模拟皮肤环境中持续工作300天后仍能保持95%以上的灵敏度。

技术产业化路径已初现雏形。研究团队与某知名柔性电子设备厂商合作，将开发的传感器集成到智能手套中。测试数据显示，该手套在抓握力度监测方面达到医疗级精度（误差±1.2%），且经过2000次洗涤后性能衰减不足5%。目前正与医疗设备制造商合作开发连续血糖监测贴片，通过微流控技术将传感器集成到柔性生物相容性基底上，已实现实验室环境下的准确血糖波动监测（误差±3.8%）。

该研究的技术突破对柔性电子领域具有示范意义。首先，开创了液态金属与气凝胶复合的制备方法，解决了液态金属分散不均的世界性难题；其次，提出了动态化学键与纳米导电网络协同设计理念，为自愈传感器开发提供了新思路；最后，构建了从实验室研究到产业化应用的技术转化路径，缩短了柔性电子皮肤的商业化进程。这些创新成果不仅提升了传感器性能指标，更重要的是建立了材料设计-结构优化-性能验证的系统方法论，为后续柔性电子器件开发提供了重要参考。