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  近年來，可穿戴電子設備和人工智能（AI）的快速發展推動了健康監測和運動跟蹤等產品的創新。作為可穿戴電子的核心部件之一，應變傳感器因其能夠檢測多種人類活動和生理信號而廣受關注。基于電阻型的柔性應變傳感器因制備工藝簡單而成為研究熱點，但其性能往往面臨靈敏度與感測范圍之間的權衡。此外，傳感器的熱性能對電阻穩定性和佩戴舒適性至關重要，但鮮有研究深入探討這些方面。當前亟需一種在延展性、靈敏度和散熱性能方面表現均衡的高性能應變傳感器，同時具備多功能感測能力，以滿足復雜應用需求。

  相關研究以論文《Ultraflexible Sensor Development via 4D Printing: Enhanced Sensitivity to Strain, Temperature, and Magnetic Fields》發表在《Advanced Science》。

  對于基于電阻變化的傳感器而言，導電網絡的構建至關重要。理想的導電網絡應該同時具備靈敏且快速的響應能力，優越的穩定性，寬廣的工作范圍，以及與保護基體良好的兼容性。基于碳納米管（CNTs）出色的導電能力和極高的長徑比，研究者將其均勻地分散到了具有出色延展性的硅樹脂橡膠（Ecoflex00-10）基體中。與此同時，為了填補CNTs之間以及CNTs與基體間可能存在的空隙，研究者創新性地引入了液態金屬（稼銦錫合金，LM），制備了LM@CNTs納米材料。LM出色的導電性以及形態自適應能力使得它能夠完美地融入導電網絡并增強其穩定性。更進一步，研究者將微米級的鐵粉引入復合基體中，以賦予材料額外的磁場響應能力。

復合墨水固化前后的基本特性。a) 不同組分墨水的成型及固化能力。b) 未固化的Ecoflex 和LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex墨水的流變性質。c) DIW 擠出LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex樣品的結構及組分示意圖。d) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 樣品斷面的 SEM 圖像和 (e-e3) EDS 圖。f) Ecoflex和LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 傳感器的拉伸曲線。g) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 傳感器在 50% 至 200% 各種應變下的第一個應變-應力循環。h) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 傳感器在 50% 應變下進行 1000 次拉伸和釋放循環的長期力曲線。i) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在第 1、5、10、50、100 和 1000 次拉伸和釋放循環中的力-應變循環。

LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的傳感特性。 a) 不同CNTs含量的傳感器的電阻率。 b) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的相對電阻-應變曲線。c）LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在10%到200%不同應變幅度，應變率為2 mm·min^?1的循環拉伸下的相對電阻響應。 d) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在 2 至 16 mm·min^?1 不同應變率， 100% 應變幅度循環拉伸下的相對電阻響應。 e) 拉伸的響應時間。f) 微小應變循環拉伸下的相對電阻變化。 g) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在50%應變幅度下進行2500次拉伸和釋放循環的長期耐久性測試。插入圖顯示了第1500-1510個周期的詳細信息。h) 與最近報道的應變傳感器的比較。傳感器對i) 不同手勢的響應和對 j) 不同喉部運動的響應。傳感器對k) 肘部彎曲不同角度的響應和對 l) 膝關節在不同動作下的響應。

LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱學性能。 a) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的 TGA 曲線。b）LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的DSC曲線。c) Ecoflex，LM/Ecoflex 和 LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱導率。d) Ecoflex，e) LM/Ecoflex 和 f) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex薄片在 120 °C 加熱臺上的模擬熱平衡。g) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在36和175 V 電壓下的溫度-時間曲線。h) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的相對電阻-溫度曲線。i) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱耐久性測試，在-20 °C 至室溫之間進行 30 個循環。j) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱耐久性測試，在室溫至 120 °C 之間進行 30 個循環。k) Ecoflex，LM@Ecoflex 和 LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱釋放率曲線。 l) Ecoflex，LM@Ecoflex 和 LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的總放熱量比較。

LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的磁學性能。a）“爬行毛毛蟲”，b）專門設計的樣品在磁場引導下像毛毛蟲一樣移動。c）“游動的魚”，攜帶電線的雙材料魚在磁場引導下（d1）向前，（d2）向后，（d3）向左和（d4）向右游動并最終(e)形成回路。f)“小球通過迷宮”，其中攜帶電線的樣品球在磁場的引導下穿過迷宮，形成電路。g) 基于磁性的汽車定位和速度檢測的示意圖。h) 不同速度下汽車的電響應。i) 弱勢老人和兒童家庭監測應用示意圖。

  綜上所述，研究者通過混合CNTs，LM，鐵粉以及Ecoflex00-10硅橡膠樹脂制備了可打印的復合墨水，并通過DIW4D打印技術成功打印了具有高靈敏度，高穩定性，大應變范圍，以及多功能的傳感器部件。本文中的新型材料體系大幅改善了傳感器的熱性能，而4D打印技術的引入進一步增強了傳感器的功能性及對于預設響應模式的調控能力。這一傳感器可應用于人體及機器人的動作監測，并在普通或極端環境均可進行工作，具有廣闊的應用前景。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411584