单构型柔性双模态传感器实现应变与非接触感知

《FlexTech》：A Flexible Bimodal Sensor With Single Configuration Enabling Strain and Touchless Sensing

　　

人机界面日益需要能够同时感知直接物理交互与远程环境线索的传感器。然而，现有多模态柔性传感器通常依赖物理分离的传感单元与复杂的信号整合，导致结构复杂性增加与机械适应性受损。研究人员提出了一种柔性双模态传感架构，在单一构型内实现接触与非接触感知。该传感器由嵌入弹性体基体中的二氧化硅改性镓铟液态金属（SiO2-modified gallium–indium liquid metal）复合材料构成，其中单一图案化导电框架通过不同交互模式实现双传感功能。可变形液态金属网络的电阻调制在物理接触时提供实时应变感知，而摩擦电场耦合（triboelectric-field coupling）在无直接接触时实现接近检测。这种本征集成的传感策略可在不依赖传统多传感器融合的情况下，同步解码形变状态、接近距离与动态运动轨迹。该基于单构型的双模态传感策略为开发下一代电子皮肤与智能人机界面提供了紧凑途径。

研究背景方面，人体物理交互包含拉伸、弯曲等直接接触机械形变，以及物体接近、动态运动等非接触空间线索。柔性电子与人机界面的发展要求紧凑系统同时捕获这两类互补信号。现有接触形变传感（如压阻、电容、压电）与非接触感知（如摩擦电、电容、静电耦合）多基于不同材料、电极构型与信号采集方案，物理分离的多单元集成增加了结构复杂度并限制机械适应性，单柔性器件实现统一多模态感知是关键挑战。为此，研究人员开发基于单构型的柔性双模态传感平台，在弹性基体中构建图案化液态金属导电通路，同一架构内集成电阻应变传感与自供电摩擦电接近检测，消除物理分离单元，可同步获取形变状态、接近距离与动态轨迹，阵列进一步实现复杂人机交互的时空解码。该工作发表于《FlexTech》，意义在于为多模态电子皮肤与智能接口提供不依赖传统多传感器集成的紧凑策略。

关键技术方法上，研究人员采用二氧化硅（SiO₂）微颗粒（平均直径30 μm）以6 wt%掺入共晶镓铟合金（EGaIn，Ga:In质量比3:1）制备改性液态金属复合材料；通过图案化掩模刮涂（doctor blading through patterned mask）结合Ecoflex 00–30弹性体双层封装（旋涂100 rpm 10 s，60℃固化1 h）制成三明治结构器件，尺寸17 mm×41 mm长向沿拉伸方向；以单电极摩擦电纳米发电机（S-TENG）模式工作，液态金属迹线兼作摩擦电极，氟乙烯丙烯（FEP）膜为接近对象；构建2/4/6回路拓扑对比灵敏度，并组装3×3像素阵列进行时空轨迹解码；人体验证采用健康志愿者体表贴附（非侵入表面测量，获知情同意），无生物样本队列。

研究结果部分，2.1节“柔性液态金属传感器的结构设计与应变传感性能”中，通过单向拉伸下体积守恒推得相对电阻变化ΔR/R₀=(1+ε)²?1，4回路传感器在0%–50%与50%–100%应变区间应变系数（GF）分别为2.08与3.51，优于2回路（1.06/1.63）与6回路（2.01/2.83）；响应时间130 ms，400次10%应变循环无退化，证明SiO₂改性提升图案保形与循环稳定性。2.2节“单电极摩擦电传感器的非接触传感性能”中，FEP膜接近分离产生周期开路电压与短路电流（I_sc），10 mm间距下4回路I_sc达3.37 nA，较80 mm处增1062.1%；I_sc随速度（10–90 mm/s）正相关，4回路距变电压斜率最大，6回路因迹线间距减小致寄生电容与局部静电屏蔽未进一步提升。2.3节“应用：人体生理运动监测”中，传感器贴附喉、颊、颈后捕获张口、微表情、低头相对电阻峰值；肘（30°/60°/90°）、腕（15°/30°/45°）阶跃弯曲呈单调平台无漂移；手指0.5/1 Hz交变频率波形对称，膝踝行走追踪稳定；口周贴附解码“S-O-S”序列肌肉轨迹，显示辅听通信潜力。2.4节“非接触空间轨迹与手势交互”中，3×3阵列无接触识别手指与FEP膜（振幅更高）材质差异；水平“7–8–9”、垂直“3–6–9”、L形“2–5–8–9”轨迹通道峰序与时间差Δt估算速度v=d/Δt，离迹通道仅边缘场微扰，证明低串扰时空重构能力。

讨论与结论部分，研究人员指出该工作表明单一图案化液态金属网络可在单柔性构型内支撑接触与非接触感知，区别于异构多材料集成，共享器件策略通过机械变形电阻调制与接近摩擦电感应双机制降低结构与界面不兼容，回路几何同时调控导电通路机械变形与静电响应。接触前接近感知与接触后形变感知连续捕获人机交互各阶段，阵列可识别距离速度、重构轨迹、支持空中输入与体态监测，面向电子皮肤、可穿戴与交互机器人。局限在于SiO₂改性液态金属长期循环与环境暴露稳定性需评估，回路数依赖接近响应的物理起源需静电仿真与电容定量验证，更高密度阵列需专用信号调理与数据驱动解耦抑制串扰。结论为：单构型双模态策略在统一架构内实现应变与接近同步解码，为下一代紧凑型智能界面提供基础。