液态金属究竟能为可穿戴设备带来什么？
液态金属，尤其是共晶镓铟（EGaIn）等镓基合金，兼具高导电性与极致拉伸性，这是传统刚性金属无法比拟的。这意味着可穿戴传感器和电路能够随身体弯曲、扭转和拉伸而不断裂。例如，一种液态金属复合有机水凝胶实现了0.3%至600%的应变范围，响应时间仅125毫秒，适用于微动监测和电子皮肤[1]。同样，采用针织结构的液态金属纤维在经历1300次拉伸循环后仍保持稳定的电性能，电阻增幅不足3%[2]。
除了可拉伸性，液态金属还具备自修复和环境适应能力。一种基于液态金属的有机水凝胶能够在-20°C至100°C的宽温度范围内实现自修复并正常工作，响应速度低于100毫秒[11]。这对于在极端环境下使用或需要日常活动中保持可靠性能的可穿戴设备而言，是一项颠覆性突破。另一项研究表明，在明胶生物凝胶上印刷的液态金属电路可承受约6万次50%应变的循环，并能在20秒内按需溶解以回收利用[10]，同时解决了耐用性和可持续性问题。
液态金属能否可靠地制成可穿戴电路？
是的，但这需要新技术，因为液态金属具有高表面张力和低粘附性，难以实现精确图案化。近期的突破已解决这一问题。例如，一种液态金属-二氧化硅墨水可直接在纸张、聚合物和玻璃上打印，分辨率达165微米，电导率为6.53×10^6 S/m，且电路可擦除并重复使用[3]。另一种方法采用数字光处理（DLP）投影光刻技术，仅需5-10秒紫外曝光即可打印液态金属图案，实现20微米分辨率、3×10^6 S/m电导率及2500%的拉伸性[4]。
然而，并非所有方法都同样成熟。尽管这些印刷技术前景广阔，但在扩大规模以实现量产以及确保大面积范围内质量稳定方面仍面临挑战。2022年的一篇综述指出，液态金属图案化需要精确控制表面形成的氧化层，该氧化层既可能促进也可能阻碍粘附[5]。好消息是，研究人员已开发出多种策略——例如使用通过机械烧结即可导电的液态金属粉末[8]，或将液态金属颗粒嵌入弹性体中用于制造柔性传感器[9]——这表明该领域正在积极攻克制造难题。
液态金属可穿戴设备在实际环境中的表现如何？其局限性又有哪些？
实际测试表明，这类材料具有出色的耐用性和功能性。基于液态金属纤维的LED阵列在经历30分钟机洗后仍能正常工作[2]，而液态金属-明胶水凝胶传感器可无线监测人体运动及大鼠心跳[6]。这些装置还展现出良好的生物相容性：明胶基液态金属水凝胶已用于组织修复和药物递送，表明其与皮肤接触安全可靠[6]。另一项研究显示，基于液态金属的应变传感器能够检测手指弯曲、生理信号，甚至可区分不同字母发音产生的振动[9]。
尽管取得了这些成功，仍存在局限性。一些液态金属复合材料需要高填充量才能实现导电性，这会使材料变硬[9]。若封装失效，液态金属存在泄漏风险，不过采用带保护壳的液态金属粉末等新设计已着手解决这一问题[8]。此外，虽然许多研究在实验室环境中表现出色，但关于数月或数年日常使用的长期可靠性数据仍然有限。2023年的一篇综述指出，挑战包括提高液态金属图案在反复变形下的稳定性，以及制定标准化测试协议[7]。因此，尽管该技术潜力巨大，但尚未准备好应用于所有可穿戴设备。
本文引用的文献
液态金属诱导形成MXene/聚丙烯酰胺复合有机水凝胶用于可穿戴柔性电子器件
一种液态金属诱导的MXene/聚丙烯酰胺有机水凝胶展现出125毫秒的响应时间、0.3%至600%的应变范围，并在-20°C下稳定运行超过7天。
具有针织结构的液态金属纤维用于可穿戴电子设备
针织液态金属纤维在经历1300次拉伸循环后电阻增幅低于3%，并成功经受30分钟机洗测试。
可直接打印且具有粘性的液态金属墨水，适用于可穿戴设备
一种可回收的液态金属-二氧化硅墨水实现了在多种基底上的直接打印，分辨率达165微米，电导率为6.53 × 10^6 S/m。
基于投影光刻的快速便捷液态金属打印技术用于高拉伸性电子电路
数字光处理技术可在5-10秒内打印出液态金属图案，分辨率达20微米，电导率为3×10^6 S/m，拉伸性可达2500%。
塑造柔软未来：液态金属的图案化
2022年的一篇综述重点介绍了镓液态金属的图案化技术，利用其流动性和氧化壳层来开发柔性电子器件。
基于明胶水凝胶与液态金属电子的多功能可穿戴监测系统
基于明胶水凝胶与液态金属的电子器件，以高生物相容性无线监测了大鼠心跳及人体运动分泌物。
液态金属功能化创新在可穿戴设备与软体机器人中的智能医疗应用
一篇2023年的综述涵盖了液态金属在可穿戴设备和软体机器人中的功能化应用，重点强调了其机电性能与自修复特性。
可运输、耐用且可恢复的液态金属粉末，具备机械烧结导电性，适用于柔性电子与电磁干扰屏蔽
具有保护壳的液态金属粉末在水和高温条件下保持稳定，并在机械烧结后恢复导电性。
柔软可拉伸的液态金属-弹性体复合材料用于可穿戴电子设备
液态金属-弹性体复合材料通过电容传感检测到了手指弯曲、生理信号以及语音振动。
用于可回收柔性电子器件的明胶生物凝胶-液态金属复合瞬态电路
明胶生物凝胶-液态金属电路在50%应变下承受了60,000次循环，并在20秒内溶解以实现回收。
基于液态金属的有机水凝胶用于可穿戴柔性电子设备
基于液态金属的有机水凝胶可在-20°C至100°C范围内工作，具备自修复功能，并能在0.1%至1000%的应变范围内实现应变传感，响应时间低于100毫秒。