应变自适应液态金属界面突破压阻传感器泊松比限制：面向婴儿睡眠监测的创新应用

这篇研究通过液态金属（LM）墨水构建动态导电界面，创新性地克服了传统多孔压阻传感器因正泊松比（ν）导致的横向膨胀和导电网络断裂问题。采用共晶镓铟（EGaIn）涂层亲水性多孔热塑性聚氨酯（TPU）支架，实现了应变自适应导电层（灵敏度达693.65 kPa?1），并集成抗菌与可洗涤特性，最终开发出16通道婴儿智能枕系统，通过边缘计算实时监测颅压与矫正睡姿。

　　

1 Introduction

柔性压阻传感器在医疗监测领域面临核心挑战：多孔结构因正泊松比（ν = 0.3–0.5）在纵向受压时横向膨胀，导致导电网络断裂和信号失真。传统解决方案依赖复杂结构设计（如负泊松比超材料），但成本高且耐久性差。本研究提出液态金属（LM）动态界面机制，通过共晶镓铟（EGaIn）涂层亲水性多孔TPU支架，实现微裂纹自修复，突破材料力学限制。

2 Results and Discussion

2.1 Structure Design and Principle

婴儿颅骨在睡眠中易因单侧压力导致体位性斜头畸形（PPS）。研究设计集成式智能枕，内置16通道传感器阵列（图1a）。TPU支架的开放孔结构（图1b）在受压时因正泊松比横向膨胀，而LM墨水通过毛细作用定向填充微裂纹（图1d），避免石墨/碳纳米管（CNTs）等固态材料的脆性断裂。

2.2 Modification and Characterization of TPU Porous Scaffolds

TPU经聚乙二醇（PEG）和六亚甲基二异氰酸酯（HDI）改性后，亲水性显著提升（接触角从110.5°降至77.3°）。紫外接枝40分钟优化的TPU-PEG支架（图2c-d）呈现海绵状多孔形态，有限元分析（FEA）验证其泊松比ν = +0.185（图2f），与实验误差仅3.78%。

2.3 Modification and Characterization of LM Inks

海藻酸钠（SA）修饰的LM墨水经超声破碎后粒径达500 nm（图3b-c），在TPU表面接触角降至46.9°（图3d）。应力激活破坏Ga₂O₃氧化层（图3e-f），释放新鲜金属界面，建立稳定导电通路。

2.4 Performance Characterization of Sensors

传感器在0.32–10.24 kPa范围内灵敏度达693.65 kPa^?1（图4a），横向拉伸应变98%时电阻波动仅1.27%（图4b）。COMSOL模拟显示LM墨水克服传统材料的泊松比限制（图4d）。经5次超声清洗后灵敏度保留81.86%，对金黄色葡萄球菌抑菌圈直径达7 mm（图4g）。

2.5 Infant Sleep Monitoring System

16通道阵列（图5a）在模拟颅压（0.2–0.8 kPa）下一致性优异（RSS=3.51）。系统通过压力云图识别婴儿侧卧（图5c），60秒持续压力触发APP警报，实现PPS早期干预。

3 Conclusion

该研究通过LM-TPU协同设计，解决了压阻传感器的泊松比瓶颈，灵敏度较传统材料提升显著，并兼具抗菌和可洗涤特性，为可穿戴医疗设备提供了创新范式。

4 Experimental Section

TPU支架通过相转化法（30 wt% DMF溶液）与NaCl模板制备，LM墨水采用SA稳定化（0.05 wt%）和超声处理（20 kHz, 800 W）。表征采用扫描电镜（SEM）、傅里叶红外（FTIR）及多通道信号采集系统（04M-V3-Bl）。