近年來，柔性電子器件迅速崛起并發展，引發了對高性能可穿戴傳感器不斷增長的需求。傳統基于剛性導電材料的應變傳感器僅能檢測相對較小的應變，而且剛性導體與柔性基底材料之間的楊氏模量固有差異會導致明顯的滯后現象，甚至導致導體和基底分離。因此，具備低滯后、高拉伸性和高靈敏度的可穿戴傳感器仍然具有研究和發展的空間。分形是一種數學概念，其特點是在不同的尺度或放大倍率下呈現自相似圖案。由于分形結構具有自相似性、無限復雜性和空間自填充能力，已廣泛應用于圖像壓縮算法、信號處理、超級電容器和電化學傳感器等領域，展現出顯著的優勢。然而，分形結構在柔性應變傳感性能方面的潛在優勢及其影響仍待深入探索。

近期，廣東工業大學湯亞東副教授課題組報道了一種具有Peano分形結構的液態金屬基微通道柔性應變傳感器，可用于監測人體運動和生理信號。相關工作以“Flexible liquidmetal-based microfluidic strain sensors with fractal-designed microchannels formonitoring human motion and physiological signals” 為題發表在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上。

在這項研究中，研究人員首先利用光刻與軟光刻技術制備了三種不同的微通道柔性應變傳感器。然后，采用有限元分析（FEA）比較了Ecoflex基底中不同通道（直通道、波浪通道、Peano II通道）的應力分布規律并且通過拉伸斷裂實驗證明了具有Peano分型結構微通道的傳感器具有更好的拉伸性（圖1）。

圖1 （a）基于LM的Peano微通道應變傳感器用于監測人體運動和生理信號的示意圖；（b）傳感器的制造過程；（c）具有不同微通道結構的傳感器的照片；（d）三種模型在100%應變下的第一主應力分布；（e）當從ε = 0拉伸到故障點時，傳感器的相對電阻變化

之后，研究人員通過單軸拉伸釋放實驗研究比較了三種傳感器的滯后性、電阻弛豫和各向同性。其結果證明Peano結構傳感器具有低遲滯、低電阻松弛與良好的各項同性，但Peano傳感器的電阻變化相對較小，這意味著與其他傳感器（直通型GF = 1.24，波浪型GF = 0.94）相比，Peano傳感器的靈敏度較低（GF = 0.84）（圖2）。

圖2 基于液態金屬的應變傳感器在不同微通道下的電響應性能：（a）傳感器的滯后行為；（b）在3D條形圖所示的每個應變水平下，加載和卸載之間的阻力響應差異；（c）傳感器在連續步進保持測試下的電阻響應；（d）傳感器在100%應變下的步進保持測試電阻響應

由于分形結構的自相似性，它們具有有效填充空間的顯著能力，隨著分形階數的增加，這種能力變得更加明顯。基于Peano II傳感器在滯后性和可拉伸性方面的優勢，本研究進一步通過迭代Peano結構創建出三階Peano（Peano III）傳感器，研究了分形階數對傳感性能的影響。圖3表明，Peano III傳感器的最大靜態應變為490%，超低檢測限為0.1%，滯后為0.86%，具有快速響應（t = 117 ms）、長期穩定性和高耐久性。

圖3 （a）Peano III應變傳感器的幾何形狀；（b）傳感器在不同拉伸應變下拉伸的照片；（c）Peano III傳感器從ε = 0拉伸到故障點時電阻的相對變化；（d）Peano III傳感器的滯后曲線；（e）Peano III傳感器在0°、45°和90°方向上對100%應變的電阻響應；（f）Peano III傳感器的相對電阻隨梯形施加應變曲線的變化；（g）Peano III傳感器在5%至100%（0.05 Hz）的張力應變下循環應變傳感行為；（h）Peano III傳感器在20%應變下拉伸頻率范圍為0.01 Hz至0.1 Hz的循環應變感應行為；（i）傳感器在2000次拉伸-釋放循環和高達100%應變下的ΔR/Ro響應；（j）傳感器在100%應變下5天內的ΔR/Ro曲線；（k）傳感器對0.1%超低應變的實時響應

之后，Peano III傳感器被應用于監測各種人體運動和生理信號。圖4a ~ 4c描述了傳感器對手指、手腕和肘部運動的電阻響應。圖4d顯示，帶有Peano III傳感器的智能手套可以精確控制機器人手指，展示了其在虛擬現實應用中的潛力。此外，Peano III傳感器還可以用于檢測靜息狀態和運動后的脈搏信號（圖4e）。

圖4 Peano III傳感器的應用：（a ~ c）對手指（a）、手腕（b）、肘關節 （c）彎曲運動的阻力反應；（d）智能手套及其應用演示示意圖；（e）脈沖信號檢測

此外，研究人員還制造了一種由PeanoIII傳感部分組成的復合傳感器，增加了兩個獨立且相互垂直的直通道傳感單元，使傳感器能夠同時識別應變大小與應變方向（圖5）。其中，Peano III傳感單元用于監測應變大小，而兩個垂直的直通道傳感器單元用于識別應變方向。該復合傳感器被證實可以捕捉各種頸部運動（圖5e和5f）。

圖5 （a）包含Peano III傳感單元和兩個垂直直線傳感單元的復合傳感器的照片；（b ~ d）在0°（b）、45°（c）和90°（d）拉伸方向的100%應變下，從三個相關傳感部件檢測到的電阻響應；（e ~ f）復合傳感器在頸部橫向運動（e）和縱向運動（f）期間的阻力響應

考慮到Peano型傳感器的靈敏度相對較低，在保持低滯后的同時提高其靈敏度將進一步促進其實際應用。因此，該研究還開發了一種多次印刷方法來制造多層Peano傳感器。通過使用這種制造方法，與使用軟光刻的傳感器相比，可以很容易地實現更薄的傳感器的制造。圖6b和6c顯示了隨著堆疊層的增加，傳感靈敏度被成功提高。同時，層數對滯后的影響很小（圖6d）。之后，將單層和三層傳感器分別安裝在喉嚨上，具有更高靈敏度的多層傳感器可以更顯著地區分出“你好”、“謝謝”、“小籠包”等詞語和吞咽動作。

圖6 （a）多層皮亞諾形傳感器的組成；（b）單層、雙層和三層傳感器的相對電阻變化（0 ~ 100%應變）；（c）層數對傳感靈敏度的影響；（d） 不同層數傳感器的滯后行為；（e）單層和三層傳感器在說話和吞咽過程中的相對電阻變化

綜上所述，該研究成功制備了一種具有Peano分形結構的液態金屬微通道應變傳感器。仿真和實驗測量結果表明，相較于傳統的直通和波浪形微通道傳感器，該設計在傳感器的可拉伸性和滯后性方面展現出顯著的優勢。隨著分形階數的提高，傳感性能得到進一步改善：Peano III傳感器的最大靜態應變達到了490%，具備超低的檢測限（0.1%）、低滯后（0.86%），并呈現出快速響應（t = 117 ms）、長期穩定性和高耐久性。通過在Peano傳感器上增設兩個獨立且垂直的直線通道，實現了對應變方向的識別能力。此外，采用多層印刷方法不僅在維持低滯后的同時顯著提升了Peano形傳感器的靈敏度。最終，開發的柔性傳感器在多種可穿戴應用中表現出卓越的性能，包括脈搏檢測、人體運動監測和語音識別等，為健康監測系統和醫療診斷設備的發展做出了積極貢獻。