“把液體金屬均勻密封在‘果凍’中不下沉，“果凍”電學性質可控，還可以隨意折疊、拉拽”。近日，在太原理工大學機械與運載工程學院，張東光副教授展示了一款柔韌和電學性能兼顧的新材料。課題組受到石榴內部結構的啟發，研發出一種柔性傳感器，具有低成本、低密度、無沉降的優點。張東光副教授介紹道，在汽車方向盤包裹一層這樣的電容式柔性傳感器，智能汽車即可感受來自手心的握力，實現離手檢測功能。這種傳感器還可應用在智能座艙、軟態機器人等諸多領域。

圖為薛小婷測試實驗樣品。受訪者供圖

近日，該成果以“具有彈性顆粒阻塞效應的非沉降液態金屬彈性體”為題發表在《Advanced Functional Materials》。該論文的第一署名單位為太原理工大學，研究生薛小婷為論文第一作者，張東光副教授、吳亞麗副教授、西安科技大學楊嘉怡副教授為論文共同通訊作者。

經典科幻電影《終結者2》出現的T-1000液體機器人可以實現固體和液體的自由轉換變形。金屬鎵或者鎵基合金被認為最適合實現這一科幻場景。金屬鎵以低熔點、高導電性、高熱導率和無毒性等優勢，被廣泛應用在軟體機器人、可穿戴設備和人機界面等領域。一旦液態金屬機器人技術取得突破成功，將科幻帶進現實，必將革新人類日常生活的方方面面。

張東光副教授通過獨特的制備工藝，將鎵基合金為導電填料，以聚二甲基硅氧烷顆粒作為阻塞介質，以聚二甲基硅氧烷作為封裝層，研發出一種無沉降的液態金屬彈性體?！耙簯B金屬和聚二甲基硅氧烷這兩種材料特性差異極大，兩者的混合不是水里化糖，而是水里泡茶葉，并且保證茶葉不飄落。這種新材料中，我們借鑒了石榴內部結構的設計思路，讓金屬顆粒在膠體顆粒中均勻分布，從而避免了因重量而導致的沉降問題，并且還能保持良好的電學性能。這是整篇論文的核心?！睆垨|光介紹道。

以石榴為參照，密度最大的石榴籽就是鎵基合金，石榴籽周邊包裹的汁水就是聚二甲基硅氧烷，而分離石榴籽的膜就是封裝層，支撐壁相當于阻塞顆粒也是由同樣的材質組成。

“支撐壁”是確保整個“石榴”內部的鎵基合金能夠均勻分布，并避免團聚和沉降到底部的關鍵因素，是該材料制備過程中的關鍵步驟。論文第一作者薛小婷表示，經過計算，液態金屬顆粒的密度大約是彈性體的7倍。因此，在澆注和固化過程中，金屬液體下沉不可避免。然而，液態金屬顆粒表面很容易形成薄薄的氧化層，它被不導電的二甲基硅氧烷隔離開，兩者相互干擾，二甲基硅氧烷的阻塞效應使得液態金屬顆粒的沉降受阻。通過”機械燒結”就可以來打破這層絕緣彈性體，形成導電路徑。如果將液態金屬復合材料視為一種具有優異性能的電介質或熱導體，通常需要添加更大比例的液態金屬顆粒，這在重量和成本上都不劃算。

通過試驗、計算和再試驗，研究新材料內部的阻塞效應機制，驗證了復合材料中的液態金屬顆粒分散均勻。她試驗了不同體積比的液態金屬顆粒，并發現當聚二甲基硅氧烷顆粒的體積比達到20%，液態金屬體積比為40%時，復合彈性體既可以實現導電性能，又可以節省材料成本?！拔覀兏鼡Q各種膠體材料，設置液態金屬體積比，調整攪拌器轉速，將液態金屬‘打碎’成固定尺寸，液態金屬尺寸大概為5-50微米左右，以直徑10微米的液滴居最多?！?/span>

新材料的另一大特點就是絕緣彈性體可以改變介電常數和介電特性。薛小婷表示，新材料的介電常數也會機械燒結而變化，通俗來講就是絕緣彈性體的電容量發生了變化。與傳統的液態金屬彈性體材料不同的是，本研究中的新材料不會在外部壓力作用下產生液態金屬彈性體滲出的問題，而是將外部作用完全轉化為電學特性的變化。

張東光表示，我們利用力電偶合效應通過電容變化來計算材料的受力程度，并測試了其機械和電氣性能。設計的電容式傳感器可以精確感知力的大小，檢測方向盤離手或握力放松等情況，并及時提醒車主。此外，傳感器的應用還可擴展至監測脈搏、汽車腳踏板力度、后排兒童是否離座等場景。目前，我們已將傳感器應用在橋梁路面、橋梁伸縮縫等處，用來監測特殊領域微小的力量變化。