本研究报告介绍了一项发表在Advanced Materials Technologies期刊上的原创性研究工作。
一、 主要作者、研究机构与发表信息
本研究的共同第一作者为Takeru Kaneko和Yi-Fei Wang。研究团队其他成员包括Mayuka Hori、Tomohito Sekine、Ayako Yoshida、Yasunori Takeda、Daisuke Kumaki及Shizuo Tokito。这项研究以论文“Printed Bilayer Liquid Metal Soft Sensors for Strain and Tactile Perception in Soft Robotics”的形式，于2023年6月9日首次在线发表在《Advanced Materials Technologies》（卷8，期17，文章编号2300436）期刊上。
二、 学术背景与研究目标
本研究隶属于柔性电子与软体机器人交叉领域。随着软体机器人因其成本效益和易于设计等优势而日益受到关注，如何为其集成能够承受大变形同时保持高精度和鲁棒性的传感器，成为了实现其全部潜能的关键挑战。理想的传感器还应具备简便、可重复的制造工艺。然而，同时满足所有这些要求的研究目前仍然有限。
液态金属（Liquid Metal, LM），特别是共晶镓铟合金（Eutectic Gallium-Indium, EGaIn），因其极低的弹性模量、高拉伸性、低迟滞和高导电性，成为制造柔性传感器的理想材料。它能够与软体机器人的身体完美贴合，提供优异的电机械性能。然而，液态金属的高表面张力导致其难以直接印刷加工，这严重阻碍了其广泛应用。先前的研究尝试通过合成液态金属微/纳米颗粒聚合物复合材料、注入微通道或与其他固体颗粒混合制成膏体等方法来改善加工性，但这些方法往往面临工艺复杂、需要额外烧结步骤，或在机械耐久性上做出妥协等问题。因此，开发一种简单、高性能的液态金属基柔性传感器制造方法，是本领域一个亟待解决的瓶颈。
本研究的目标是：开发一种基于双层液态金属结构的新型柔性传感器，通过丝网印刷技术实现，旨在同时解决液态金属印刷性差和单一氧化层机械稳定性不足的矛盾，最终制造出兼具高电机械性能（高拉伸性、低迟滞）和自供能触觉感知能力的传感器，并将其集成到软体机器人中，演示其在手势识别、运动监测和抓取感知方面的应用潜力。
三、 详细工作流程
本研究的工作流程系统性地涵盖了材料制备、传感器设计与制造、性能表征以及应用验证四个主要阶段。
第一阶段：材料与传感器制备 研究选用EGaIn作为核心材料。首先，通过将EGaIn在行星式混合器中以2000 rpm的转速剪切搅拌5分钟，使其与空气充分混合，形成富含Ga₂O₃氧化层的膏状氧化EGaIn（Oxidized EGaIn, o-EGaIn）。这种o-EGaIn的流变特性得到改善，使其能够在多种基底上实现良好的印刷性。 传感器基底采用Ecoflex 0030柔性硅胶制备。传感器的制造采用逐层丝网印刷技术：首先，使用绘图切割机（Cameo 4）制作的薄膜掩模，将o-EGaIn膏体印刷到固化的Ecoflex基底上，形成第一层。接着，在未固化的o-EGaIn层之上，直接印刷裸露的液态EGaIn，形成第二层。印刷完成后移除掩模，并在传感器末端连接铜线作为电极。最后，在整个结构上涂覆一层薄薄的Ecoflex并固化，形成封装层，完成传感器的制备。通过设计不同的掩模图案，可以分别制造出具有网格线图案的电阻式应变传感器和具有圆形图案的单电极摩擦电触觉传感器。
第二阶段：印刷性与形貌表征 研究团队对基于液态金属的传感层的印刷性和微观形貌进行了详细表征。使用光学测角仪测量了不同基底上EGaIn和o-EGaIn的接触角，证实了裸露EGaIn因高表面张力导致的差印刷性（接触角高达145°），以及o-EGaIn作为预润湿层对EGaIn的优异亲和力。通过在多种基底（PDMS, PI, 玻璃, PEN, Ecoflex）上进行图案印刷测试，验证了o-EGaIn/EGaIn双层设计能够成功在各种基底上实现精细图案（如“樱花”图案）的印刷，特征尺寸可从150微米到数厘米。使用光学显微镜和3D轮廓仪对传感层的形貌进行分析。结果显示，单一的o-EGaIn层虽然能覆盖图案区域，但膜层薄（ µm）且表面存在大颗粒，在承受100%拉伸应变时会产生不可完全恢复的微裂纹，这会导致传感器初始电阻基线的漂移。相比之下，双层结构则呈现更厚的薄膜和光滑的表面。在100%拉伸下，由于顶部EGaIn的液态特性，薄膜未出现裂纹；释放后，表面仅因新氧化层形成而出现细小皱纹，3D轮廓显示薄膜在拉伸和释放状态下均保持连续性，证明了优异的机械稳定性。
第三阶段：传感器性能测试 此阶段对基于双层结构制造的两种传感器进行了全面的电机械性能测试。 应变传感器性能：测试使用电动滑台和四探针法（Keithley DMM6500万用表）测量电阻变化。结果显示，传感器具有超过400%的拉伸范围（受限于基底断裂）。其应变系数（Gauge Factor）通过公式 GF = (ΔR/R₀)/ε 计算，稳定在2-2.2之间。传感器表现出极低的迟滞（0.65%），且在不同应变台阶（20%步长至100%，100%步长至400%）的循环拉伸-释放测试中，电阻响应无过冲和明显迟滞，并能完全恢复到初始值。在长达3分钟的静态保持测试（应变20%-400%）中，电阻无明显下降，证明了优异的静态稳定性。对0.5%的准瞬态阶跃应变测试表明，传感器具有270毫秒的响应时间和260毫秒的恢复时间，检测极限低至0.5%。此外，传感器在200%应变下经过2000次循环测试，响应和基线均未出现明显退化，展现出卓越的耐用性。 触觉传感器性能：测试基于单电极摩擦电纳米发电机（TENG）原理。使用力计和电动平台施加压力，并记录电压信号。传感器在微小压力（0.2 N）和低速接触（20 mm/min）下可产生25 mV的响应电压，灵敏度约为10 mV/kPa。输出电压随接触力和接触速度的增加而增加。增加硅胶覆盖层的厚度会导致输出电压峰值下降，因为更厚的介电层导致器件电容和电场减小。耐久性测试表明，在10 N的循环压力下经过1000次测试，输出电压未出现衰减。
第四阶段：应用验证——软体感知机器人（Soft Sensory Robot, SSR） 研究团队将所开发的应变传感器和触觉传感器集成到一个软体气动执行器中，构建了一个概念验证型软体感知机器人。应变传感器粘贴在执行器可延展的顶部层，用于监测机器人的形变和运动。实验演示了传感器能够清晰捕捉机器人六种不同驱动手势所对应的电阻变化，并能检测到机器人的振动。触觉传感器集成在执行器应变受限的底部层，用于感知抓取状态。实验成功显示，当软体机器人接触和释放物体时，触觉传感器能产生清晰的电压峰值，从而实现对抓取状态的实时监测。这些功能通过补充视频（Video S2）得到了直观演示。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究在每一个关键步骤都获得了支撑最终结论的坚实数据结果，且步骤间逻辑紧密。首先，材料与印刷性表征结果（o-EGaIn对EGaIn的亲和力、双层结构在各种基底上的成功印刷）直接证实了所提出的“o-EGaIn作为润湿层以印刷精细EGaIn图案”这一双层设计思路的可行性，这是实现后续高性能传感器的工艺基础。接着，形貌表征结果（双层结构在拉伸下无裂纹、良好的连续性）与电机械性能测试结果（高拉伸性、低迟滞、高稳定性、快速响应、优异耐久性）形成了直接、有力的因果关系。微观形貌上的优势（液态顶层避免裂纹、整体连续）直接转化为了宏观性能上的卓越表现（稳定、可靠、耐用的传感信号）。触觉传感器性能结果则证明了该双层材料体系在实现自供能感知功能方面的灵活性。最后，应用验证结果将前述所有性能指标在真实的软体机器人应用场景中进行了集成与展示。手势识别和振动监测结果直接源于应变传感器的高拉伸性、低迟滞和快速响应特性；而可靠的抓取检测则直接得益于触觉传感器的灵敏度、稳定性和自供能特性。这些应用演示并非孤立存在，而是前期所有材料、工艺和性能研究成果的必然体现和最终落脚点，完整地构成了“设计-制备-表征-应用”的逻辑闭环，强有力地证明了该双层液态金属传感器在推进软体感知机器人领域发展的实际潜力。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发了一种基于丝网印刷双层液态金属（o-EGaIn/EGaIn）结构的柔性传感器，用于软体机器人的感知。该设计巧妙地解决了液态金属印刷性与机械稳定性之间的权衡问题，实现了简便的制造工艺和卓越的电机械性能。具体而言，应变传感器表现出超过400%的拉伸范围、大于2的应变系数、极低的迟滞和高可靠性；触觉传感器则实现了高达10 mV/kPa的自供能触觉响应。得益于其全柔性特性，这些印刷传感器能够无缝集成到软体机器人中，实时监测运动、手势和物体抓取/释放状态。
本研究的科学价值在于提出并验证了一种新颖、高效的双层液态金属器件策略。它通过简单的室温印刷工艺，无需复杂材料合成或额外烧结步骤，就实现了高性能柔性传感器的制造，为液态金属在柔性电子领域的加工提供了新的思路和方法论。其应用价值则非常明确且直接：为下一代软体机器人提供了关键的感知解决方案。所展示的传感器能够赋予机器人本体感知形变和外部接触的能力，这对于机器人在非结构化环境（如生物医学、食品加工、深海探索）中实现精确操作、安全交互和智能适应至关重要，是推动软体机器人从简单执行向智能感知迈进的重要一步。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究在讨论部分，通过与近期报道的其他印刷液态金属软器件在材料、工艺和器件性能方面进行对比，进一步凸显了本工作的优势。例如，指出本工作使用的o-EGaIn糊料制备过程（一步剪切混合）比需要酸处理、超声处理的Ni-EGaIn、Cu-EGaIn等双相糊料更简单；印刷可使用普通薄膜掩模，无需特殊掩模制备或基底处理；传感层中无聚合物基体，因此迟滞和过冲可忽略不计，稳定性和可靠性更优。这种对比分析增强了论文结论的说服力。此外，研究还指出了性能进一步优化的方向，例如通过改进测量设置可能进一步降低响应时间，以及通过优化接触材料、表面结构或测量电路可以进一步提升摩擦电器件的输出性能，为后续研究提供了线索。