近年來，由柔性聚合物基質(zhì)和多功能填料組成的彈性複合材料在電子皮膚、個性化醫(yī)療系統(tǒng)和軟機器人等領域的應用越來越廣泛。其中，電阻隨載荷變化的導電複合材料因其在壓力傳感應用中的潛力而備受關注。最近一些研究通過多孔結構設計降低複合材料的彈性模量，從而增加其在壓力下的變形，進而提高壓力靈敏度。然而，即便最先進的多孔複合材料也無法兼顧穩(wěn)定的高壓力靈敏度和寬檢測範圍。

為解決這一難題，劍橋大學工程系Tawfique Hasan與貟國霖帶領的研究團隊最近開發(fā)了一種兼具卓越壓力靈敏度和極寬動態(tài)範圍的液態(tài)金屬多孔複合材料。這種材料基於圖1所示的尖刺鎳微粒和共晶鎵銦液態(tài)金屬微液滴組成的固-液混合顆粒網(wǎng)路，以及互聯(lián)的微孔結構設計，實現(xiàn)了壓力下顯著的電導率提升。

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圖1. 液態(tài)金屬多孔複合材料的製備過程

通過優(yōu)化材料組分和製備方法，該複合材料在寬壓力範圍內(nèi)表現(xiàn)出了顯著提高的靈敏度。如圖2所示，與先前的無孔複合材料相比，這種優(yōu)化的多孔複合材料在1 MPa壓力下表現(xiàn)出了七個數(shù)量級的電導率增長，並在高達8.9 MPa的大壓力範圍內(nèi)保持了高度線性的回應，線性度R2高達0.9992。除了高靈敏度、寬檢測範圍和高度線性的壓力回應，複合材料還在迴圈穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，傳感性能遠優(yōu)於最先進的商用產(chǎn)品和已發(fā)表工作。

圖2. 多孔複合材料的電導率-壓力曲線與週期測試結果

圖3的有限元數(shù)值類比結果顯示了相同壓力下多孔複合材料顯著的微觀結構變形與導電網(wǎng)路增強。模擬結果與實驗資料相互印證，揭示了多孔材料卓越靈敏度的成因。

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圖3. 多孔複合材料的壓力感應原理與模擬

為直觀展示該複合材料的傳感性能，研究人員基於其開發(fā)了壓力感測器陣列。該感測器陣列具有自校準功能，在長時間迴圈載荷後仍保持穩(wěn)定的傳感性能，優(yōu)於現(xiàn)有商用壓力感測器。

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圖4. 多孔複合材料在壓力感測器陣列中的應用

（視頻展示了感測器陣列的自校準和動態(tài)回應壓力分佈檢測。）這項研究為可穿戴設備、柔性電子產(chǎn)品和軟機器人中高靈敏度壓力感測器的應用開闢了新的可能性。該多孔複合材料的卓越性能有望推動柔性感測器領域的技術發(fā)展和應用創(chuàng)新。