北京林业大学王磊:基于液态金属界面迁移的重力驱动倾角传感器:面向形貌扫描与信息传输的创新应用

点击图片可免费阅读全文

基于各向异性微通道中液态金属界面迁移的重力驱动倾斜传感器——用于信息传输和连续表面形貌扫描

郭非凡，展飞，王国庆，强学栋，毛敏，赵鸿滨，王磊

北京林业大学，森林资源高效生产国家重点实验室

南通市计量测量研究院

中国有研科技集团有限公司智能传感先进材料国家重点实验室

【文献链接】

【背景介绍】

随着材料科学与技术的不断发展，稀有金属镓正逐渐成为有毒金属汞的潜在替代材料。尽管现有研究主要集中于液态金属（LM）优异的导电性和可变形性，但其固有的流体特性——润湿性，却相对较少受到关注。本研究利用液态金属的固有润湿性，通过将液态金属直接注入具有内部微结构的微通道来构建倾角传感器。这些微通道通过以聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制 Stipa lessingiana 的表面形貌制备而成。在倾斜过程中，微通道内三相界面的液态金属在拉普拉斯压力驱动下表现出动态润湿行为，从而引起电阻的可测量变化。所提出的倾角传感器具有 2°的高角度分辨率、0.5 s 的快速响应时间，以及从-90°到 90°的宽检测范围。同时，它在 500 次循环操作中表现出优异的稳定性，并在长达 20 天的使用寿命内保持功能完整性。此外，我们将其与三维移动平台结合，构建了一个表面形貌扫描系统。这一创新设计在先进制造、软体机器人、信息传输和柔性传感技术等领域具有广阔的应用潜力，为更广泛的实现与应用奠定了基础。文章亮点仿生制备各向异性微通道，利用液态金属固有润湿性构建倾角传感器，兼具高分辨率（2°）、快响应（0.45 s）与宽检测范围（-90° 至 90°），性能全面优于传统重力驱动传感器；实现双重创新应用突破：一是通过角度编码完成 26 个英文大写字母映射，实现文本信息传输；二是与 3D 移动平台集成，构建高精度表面形貌扫描系统，可适配离散平面与连续非平面检测；低成本、高稳定性设计：依托生物质仿生模板降低制备成本，传感器具备 500 次循环稳定性与 20 天使用寿命，为生物质资源高价值转化与柔性传感技术提供新路径。

【文章亮点】

1.仿生制备各向异性微通道，利用液态金属固有润湿性构建倾角传感器，兼具高分辨率（2°）、快响应（0.45s）与宽检测范围（-90° 至 90°），性能全面优于传统重力驱动传感器；

2.实现双重创新应用突破：一是通过角度编码完成 26 个英文大写字母映射，实现文本信息传输；二是与 3D 移动平台集成，构建高精度表面形貌扫描系统，可适配离散平面与连续非平面检测；

3.低成本、高稳定性设计：依托生物质仿生模板降低制备成本，传感器具备 500 次循环稳定性与 20 天使用寿命，为生物质资源高价值转化与柔性传感技术提供新路径。

【内容简介】

日前，北京林业大学 Feifan Guo、Fei Zhan（共同第一作者），Lei Wang（磊王，通讯作者）联合南通计量测试所、有研集团等单位的研究团队，在Rare Metals上发表了题为 “Gravity-Driven Inclination Sensor Based on Liquid Metal Interface Migration in Anisotropic Microchannels for Information Transmission and Continuous Surface Topography Scanning” 的研究文章，提出了基于针茅仿生各向异性微通道与液态金属动态润湿行为的重力驱动倾角传感器设计方案，成功实现信息传输与表面形貌扫描的多场景应用。

该研究以针茅（Stipa lessingiana）为仿生模板，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制其表面各向异性微观结构，制备出内壁带有锥形凸起的微通道。通过微注射器将镓铟共晶液态金属（GaIn24.5）以 1 m s^-1的速度注入微通道，两端用导电银浆密封并引出电极，经一步法完成倾角传感器组装。研究团队系统表征了传感器的静态与动态性能，证实其在 - 90° 至 90° 范围内具备 2° 的角度分辨率与 0.45 s的快速响应能力；同时通过 500 次循环测试与 20 天寿命实验，验证了其优异的稳定性与耐久性。在此基础上，团队进一步拓展传感器应用场景：一是通过预设旋转角度编码 26 个英文大写字母，实现“SCIENCE”“SOS” 等文本信息的电信号传输；二是将传感器与 3D 移动平台结合，构建表面形貌扫描系统，通过齿轮传动放大信号，实现 0.4mm 的高度分辨率，成功完成离散平面与连续非平面形貌的扫描重建。

【图文解析】

图 1（A）针茅的实物图与扫描电镜（SEM）图像；（B）倾角传感器制备流程示意图；（C）传感器倾斜过程与电信号响应趋势；（D）传感器潜在应用场景（航空航天姿态监测、人机交互、形貌扫描、生物医学运动监测）

研究团队以针茅（Stipa lessingiana）为仿生模板，用聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制其表面的各向异性微观结构，制成内壁带有锥形凸起的微通道。随后将镓铟共晶合金（eGaIn）注入通道，利用重力倾斜时液态金属在三相界面的动态润湿行为（由拉普拉斯压力驱动），引发电阻变化，从而实现倾角检测。

图2（A）倾角信号测试流程示意图；（B）传感器360° 旋转时的电信号变化率；（C）不同倾斜角度下的电信号变化率；（D）传感器角度分辨率；（E）响应时间测试；（F）旋转频率对信号振幅的影响；（G）传感器长期使用寿命（每10 天测试一次）；（H）0.1 Hz频率下500 次循环耐久性测试；（I）耐久性性能的小波变换分析

实验数据证实了传感器的优异性能：电信号随倾斜角度呈稳定正弦响应，0°至180° 范围内信号变化率峰值达0.93%；2°的高分辨率可精准捕捉微小角度变化，0.45s的响应时间满足动态检测需求；即使在0.08-0.124 Hz 旋转频率下，信号振幅仅从0.866% 降至0.806%，且500 次循环与20 天使用后性能无明显衰减。小波变换分析进一步验证了信号的一致性与可靠性，表明传感器在静态与动态场景中均具备稳定输出能力。

图 3（A）微通道内液态金属梯度分布示意图；（B）液态金属在自身氧化层与 PDMS 表面的差异化润湿特性；（C）动态润湿调节过程；（D）重力驱动下微结构内气 - 液界面迁移示意图；（E）PDMS 的拉曼光谱；（F）液态金属的 X 射线光电子能谱（XPS）；（G）液态金属氧化层与 PDMS 的粘附作用示意图

该图揭示了传感器的核心工作原理：液态金属在 PDMS 表面（接触角 θ₁）与自身氧化层表面（接触角 θ₂，θ₁>θ₂）形成亚稳态润湿界面，倾斜角度变化时，重力分量改变局部静压力，液态金属通过动态调整接触角（θ₁>θω₂>θω₁>θ₂）恢复力学平衡，引发气 - 液界面迁移，进而导致电阻变化。拉曼光谱与 XPS 证实 PDMS 表面的 Si-O-Si 键、-CH₃基团与液态金属表面的 Ga₂O₃氧化层通过范德华力实现稳定粘附，避免了界面滑动，保障了信号稳定性。

图 4（A）液态金属注入微通道的相场仿真及倾斜过程中气 - 液界面迁移仿真；（B）传感器倾斜过程中微结构内液态金属含量变化仿真；（C）微通道内液态金属表面高度变化仿真；（D-H）不同注入速度（1-1.8 m s^-1）下，传感器在不同旋转频率（1/3-1Hz）的电信号变化仿真

仿真结果验证了实验机制的合理性：液态金属在微通道内呈梯度分布（入口润湿高度 4.9 μm，出口 4.52 μm），倾斜时通过微观尺度的重新分布而非宏观流动产生信号，有效降低滞后效应；注入速度提升可增强信号变化率（动态压力促进液态金属渗入微结构），而旋转频率升高会因响应时间限制导致信号灵敏度下降。仿真与实验结果的一致性，为传感器性能优化提供了理论支撑。

图 5（A）倾角传感器在语言编程中的应用流程；（B）定义特定电信号变化段对应字母 A、B、C；（C）26 个英文字母与电信号变化段的映射关系；（D）传输 “SCIENCE” 文本信息的电信号序列；（E）传输 “SOS” 文本信息的电信号序列

该图展示了传感器在信息传输领域的创新应用：通过 “顺时针旋转预设角度 - 逆时针复位” 的操作生成对称电信号段，依次将 360°、330°…30° 旋转对应的信号段映射为 26 个英文字母；基于该编码规则，可将文本信息转化为连续电信号序列，实现高可靠性传输。该应用拓展了倾角传感器的功能边界，为紧凑高效的传感通信技术提供了新思路。

图 6（A）倾角传感器与 3D 移动平台集成的表面形貌扫描系统（齿轮齿条传动）；（B）表面形貌高度与电信号变化率的相关性；（C）离散平面形貌的扫描与重建结果；（D）连续非平面形貌的扫描与重建结果（含北京林业大学、南通计量测试所标识）

该系统通过 1:5 的齿轮传动比实现信号放大（探针 0.1 mm 垂直位移对应传感器 2.4° 角偏转），结合传感器的高分辨率特性，实现 0.4 mm 的高度检测精度；系统扫描范围可达 200  cm²，动态检测范围覆盖 10 μm-1 cm（1000 倍跨度），成功完成双高度离散平面与复杂非平面的形貌重建。该应用证实了传感器在高精度表面分析领域的实用价值，为先进制造与形态表征提供了高效工具。

【全文小结】

1.以针茅为仿生模板，通过 PDMS 复制技术制备内壁带有各向异性微结构的微通道，注入镓铟共晶液态金属，经一步法构建重力驱动倾角传感器，核心依赖液 - 固 - 气三相界面的动态润湿与迁移机制；

2.传感器性能优异：角度分辨率 2°、响应时间 0.45s、检测范围 -90° 至 90°，具备 500 次循环稳定性与 20 天使用寿命，兼顾精度、速度与耐久性；

3.实现双重创新应用：一是建立 26 英文字母的角度编码规则，完成文本信息的电信号传输；二是与 3D 移动平台集成，构建高分辨率表面形貌扫描系统，适配离散与连续形貌检测；

4.设计方案兼具低成本与高价值：利用生物质模板降低制备成本，实现资源高价值转化，同时为柔性传感、先进制造、人机交互等领域提供创新技术路径。

【作者简介】

编辑：徐子越

校稿：乔双

审核：马雯