《Chemical Engineering Journal》：Direct-write printed liquid metal based magnetoelectric sensor for smart parking timekeeping
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柔性磁电传感器的直接写作印刷制备与仿生结构设计，通过层叠打印NdFeB/PDMS磁复合微结构并集成液态金属电极，利用仿生尖顶微穹顶结构增强机械磁耦合效应，实现40ms快速响应和10000次循环稳定性，可应用于智能停车系统监测。
周思杰|王晓峰|秦洁瑶|胡婉珍|周永豪|傅传|蔡梦瑶|龚俊尧|季华|夏良军|徐伟林
中国湖北省武汉市武汉纺织大学新型纺织材料与先进加工国家重点实验室，邮编430200
摘要
直接书写打印（DP）技术通过无需掩模且可编程的方式将功能性墨水沉积在可变形基底上，为制造柔性传感器提供了一条有前景的途径。然而，许多报道的柔性磁电传感器仍然依赖于刚性导电组件或层压结构，这限制了设备的柔韧性和可扩展制造。本文通过将直接书写的磁性复合微结构与液态金属电极集成，开发出了一种柔性磁电传感器（DP-MEG）。该传感器受到章鱼触手的启发，采用NdFeB/PDMS墨水逐层制造出仿生设计的尖端磁性微圆顶。随后引入液态金属涂层，形成可变形的电连接，并在机械变形过程中参与磁通量切割。
所得传感器具有40毫秒的快速响应时间，在10,000次加载循环后仍保持稳定的电输出，对静态和动态刺激均表现出可靠的灵敏度。COMSOL仿真和实验结果共同证实，磁性微圆顶阵列的变形会引起磁通量变化，从而通过电磁感应产生可测量的电压信号。该设备还展示了摩尔斯电码识别和多级压力传感功能。作为概念验证应用，DP-MEG被嵌入停车位下方，用于检测车辆的到达和离开，实现无需摄像头和无线方式的停车时间监测。这项工作为柔性城市传感系统提供了一种可扩展的解决方案。
引言
柔性电子和软功能材料的出现加速了可贴合、自供电传感系统的发展，这些系统能够实现实时人机交互和环境感知[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在各种软电子制造技术中，直接书写打印（DP）因其可编程性、高分辨率以及与可变形基底的兼容性而受到越来越多的关注[6]、[7]。该方法利用气压挤出技术将高粘度墨水直接沉积在柔软表面上，可调节压力、喷嘴直径和路径几何形状等参数。通过气压挤出，DP能够在柔性表面上实现高粘度功能性墨水的精确控制沉积。这些特性使其适用于制造多种柔性设备，包括交叉电极[8]、[9]、[10]、光子器件[11]、[12]、[13]、[14]以及可穿戴电路[15]、[16]、[17]。最近的研究还证明了使用DP打印液态金属基功能图案的可行性。例如，Lin等人开发了一种凝胶状液态金属（LM）墨水，并利用打印技术在柔性非平面基底上实现了图案化打印[18]。Patil等人利用LM与聚乙烯醇之间的相互作用打印了电容式压力传感器，并将其应用于运动检测[19]。对于需要机械或磁响应的传感器，将具有磁功能的复合材料（如钕铁硼）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物作为可打印墨水使用更为理想[20]。但由于流变不匹配、颗粒沉降和界面粘附问题，尤其是循环变形条件下，基于DP的稳定打印仍具有挑战性。这些因素限制了磁活性软传感平台的可扩展性和可编程性制造。
与此同时，磁电（MEG）传感作为一种能量自主的信号转换方式应运而生。与压电[21]、[22]、电容[23]、[24]和摩擦电效应[25]、[26]、[27]、[28]、[29]传感机制不同，MEG传感器通过法拉第电磁感应定律将动态机械输入转换为电信号[30]。Zhang等人利用LM制备了可拉伸的磁电薄膜，并通过机械拉伸和恢复实现了电磁效应的转换[31]。Qin等人利用铜线圈和磁性纤维的电磁感应原理制造了螺旋形应变传感纤维，并将其应用于水下人机交互[32]。传统的液态金属磁电薄膜依赖于基于模具的注射和层压[40]、刚性铜线圈[32]、复杂的多步骤工艺[39]、同轴打印[41]，这些方法可能存在刚性部件、制造复杂、微结构非优化以及灵活性、集成性和实际应用方面的局限性。因此，开发一种能够同时实现可编程微结构构建、柔性导电和有效磁电耦合的制造策略仍然非常必要。
为了解决这些限制，近期研究探索了使用功能性磁性弹性体和液态金属制造柔性MEG传感器[31]、[33]、[34]。含有NdFeB微粒的磁性弹性体在保持机械柔顺性的同时表现出稳定的剩磁。同时，共晶镓铟（EGaIn）等液态金属具有高电导率以及流体变形性，使其在动态载荷条件下可作为可拉伸电极使用。这些材料的结合为制造既节能又机械坚固的软MEG传感器奠定了基础。
生物系统通常通过机械刺激引起的变形放大对外部刺激表现出高灵敏度。例如，章鱼触手由于局部变形和曲率介导的应力集中而表现出显著的响应性。我们受到这一功能原理的启发，而非形态模仿，引入了一种微圆顶几何结构来增强磁电传感平台中的机械-磁耦合。在外部载荷作用下，尖端圆顶的机械刺激促进了局部应变集中和曲率诱导的变形梯度。这种变形放大更有效地调节了磁性复合体内的磁通量，从而增强了诱导电动响应。重要的是，基于液滴的直接书写打印工艺无需固定模具即可实现微圆顶阵列的可编程制造，允许结构定制和阵列级集成。通过这种机械刺激驱动的磁电放大和集成设计，所提出的系统将柔性磁电传感扩展到了可扩展、面向应用的部署。将仿生结构与软功能材料相结合，为开发适用于城市智能停车的监测系统提供了巨大潜力。
DP-MEG传感器的设计策略与制造
章鱼具有极其敏锐的压力感知能力，能够即时捕捉任何压力变化，为其提供关于猎物位置、大小和活动状态的实时信息。受其触手表面通过压力感知获取信号特性的启发，我们采用逐层DP技术在磁弹性基底上仿生了这种微圆顶结构，如图1a和b所示。
结论
总结来说，本研究通过直接书写打印磁性微结构并结合液态金属电极制备了DP-MEG传感器。该传感器的微圆顶设计在机械变形下增强了磁通量变化，从而提高了信号转换的灵敏度。通过将PDMS/Ecoflex磁弹性基质与NdFeB填料和共形LM导体结合，传感器实现了快速响应（40毫秒）和超过10,000次的稳健耐用性。
材料
钕磁粉（NdFeB，LW-N，38微米）由广州新诺德传动部件有限公司提供。Ecoflex 00–50由Smooth-On公司制造，其两种成分A和B的质量比为1:1。LM由镓（Ga）、铟（In）和锡（Sn）的共晶合金（GaInSn，质量比为70:20:10，熔点11℃）制成，由长沙荣昌高纯材料有限公司提供。PDMS由Drowning 184公司提供。CRediT作者贡献声明
周思杰：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、研究、数据分析、数据管理。王晓峰：可视化、软件、方法论、研究、数据分析、数据管理。秦洁瑶：软件、方法论、研究、数据分析、数据管理。胡婉珍：可视化、数据分析、数据管理。周永豪：软件、数据分析。傅传：可视化、软件。蔡梦瑶：软件、数据分析。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
周思杰和王晓峰对这项工作做出了同等贡献。本研究得到了国家自然科学基金（52303064）、湖北省自然科学基金（2025AFB867）、湖北省科技厅（2024CSA076）、国家重点研发计划（2022YFB3805800）、武汉纺织大学新型纺织材料与先进加工国家重点实验室（FZ2025046、FZ2025007）的支持。我们感谢分析测试团队的支持。
