液態(tài)金屬賦能電子皮膚：動(dòng)態(tài)熱管理與自驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新融合與展望

一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，可穿戴電子設(shè)備和人機(jī)交互技術(shù)在醫(yī)療、健康監(jiān)測(cè)、機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，電子皮膚作為一種新型的人機(jī)交互界面材料，正逐漸成為研究熱點(diǎn)。電子皮膚是一種能夠模擬人體皮膚功能的智能材料，可感知溫度、壓力、應(yīng)變等多種外界刺激，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)與人體的無縫交互。理想的電子皮膚不僅應(yīng)具備高靈敏度、高柔韌性、可拉伸性和自愈合性等特性，還應(yīng)具備良好的舒適性，包括透氣性、透濕性和熱管理等功能，以滿足長(zhǎng)期佩戴和復(fù)雜環(huán)境下的使用需求。液態(tài)金屬作為一種新興的功能材料，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在電子皮膚領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。液態(tài)金屬通常是指在室溫或接近室溫下呈液態(tài)的金屬或合金，如鎵銦合金（EGaIn）、鎵銦錫合金（Galinstan）等。這些液態(tài)金屬具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、良好的流動(dòng)性和可變形性，以及低毒性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為構(gòu)建電子皮膚電極和電路的理想材料。在熱管理方面，人體皮膚能夠通過汗液蒸發(fā)、血管舒張和收縮等生理機(jī)制，在一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)體溫，以維持人體的熱平衡和舒適性。然而，傳統(tǒng)的電子皮膚大多缺乏有效的熱管理功能，在長(zhǎng)時(shí)間佩戴或高負(fù)荷工作時(shí)，容易導(dǎo)致皮膚表面溫度升高，引起不適感，甚至影響皮膚的健康。液態(tài)金屬的相變特性為解決這一問題提供了新的思路。某些液態(tài)金屬在特定溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生固-液相變，伴隨著較大的相變潛熱吸收或釋放，利用這一特性可以設(shè)計(jì)出具有動(dòng)態(tài)熱管理功能的電子皮膚，使其能夠根據(jù)環(huán)境溫度和人體的散熱需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)皮膚表面的溫度，提高佩戴的舒適性和穩(wěn)定性。在自驅(qū)動(dòng)方面，實(shí)現(xiàn)電子皮膚的自驅(qū)動(dòng)功能對(duì)于其長(zhǎng)期、穩(wěn)定的應(yīng)用至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電子皮膚通常需要外接電源進(jìn)行供電，這不僅限制了其使用的靈活性和便捷性，還增加了設(shè)備的體積和重量。液態(tài)金屬的電傳導(dǎo)特性為開發(fā)自驅(qū)動(dòng)電子皮膚提供了可能。通過將液態(tài)金屬與其他功能材料相結(jié)合，如摩擦納米發(fā)電機(jī)、熱電材料等，可以構(gòu)建出能夠?qū)h(huán)境中的機(jī)械能、熱能等轉(zhuǎn)化為電能的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子皮膚的自主供電，降低對(duì)外部電源的依賴。此外，液態(tài)金屬還具有良好的可加工性和圖案化能力，可以通過多種微納加工技術(shù)，如光刻、噴墨打印、3D打印等，制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的電子皮膚器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的高靈敏度傳感和精確的信號(hào)傳輸。這使得液態(tài)金屬基電子皮膚在智能健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在醫(yī)療健康領(lǐng)域，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的生理參數(shù)，如心率、血壓、體溫、汗液成分等，為疾病的早期診斷和個(gè)性化治療提供依據(jù)；在機(jī)器人領(lǐng)域，可作為人造皮膚賦予機(jī)器人更加靈敏的觸覺感知能力，使其能夠更好地與人類進(jìn)行交互和協(xié)作；在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)更加沉浸式的交互體驗(yàn)，為用戶帶來更加真實(shí)的觸感反饋。綜上所述，開展基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理與自驅(qū)動(dòng)的電子皮膚研究，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過深入探索液態(tài)金屬的物理化學(xué)性質(zhì)及其與其他材料的協(xié)同作用機(jī)制，開發(fā)新型的液態(tài)金屬基電子皮膚材料和制備工藝，有望解決傳統(tǒng)電子皮膚在熱管理和自驅(qū)動(dòng)方面的關(guān)鍵技術(shù)難題，推動(dòng)電子皮膚技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，為人類的健康和生活帶來更多的便利和創(chuàng)新。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1液態(tài)金屬在動(dòng)態(tài)熱管理中的研究進(jìn)展在熱管理領(lǐng)域，液態(tài)金屬憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)，如高導(dǎo)熱率、低熔點(diǎn)和良好的流動(dòng)性，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，成為近年來的研究熱點(diǎn)。在熱界面材料方面，傳統(tǒng)的熱界面材料如導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠等，在面對(duì)日益增長(zhǎng)的散熱需求時(shí)，逐漸暴露出熱阻較大、導(dǎo)熱性能有限等問題。液態(tài)金屬的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新的途徑。液態(tài)金屬具有超高的熱導(dǎo)率，能夠有效降低傳熱界面的熱阻，提高熱量傳遞效率。例如，鎵銦合金（EGaIn）的熱導(dǎo)率可達(dá)到29.4W/(m?K)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱界面材料。研究人員通過將液態(tài)金屬與其他材料復(fù)合，制備出了一系列高性能的熱界面材料。如將液態(tài)金屬與石墨烯納米片復(fù)合，利用石墨烯的高導(dǎo)熱性和大比表面積，進(jìn)一步提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。通過超聲處理制備了穩(wěn)定的LM@GN（Liquidmetal@Graphenenanosheet）包覆液滴，GN與ANF（Aramidnanofiber）的π-π相互作用使LM@GN填料在LM@GN/ANF薄膜中均勻分散形成了良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。由于LM和GN相互橋接產(chǎn)生的導(dǎo)熱協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制，該薄膜實(shí)現(xiàn)了5.67W?m-1?K-1的高導(dǎo)熱系數(shù)。這種復(fù)合熱界面材料在柔性電子和微電子器件的散熱中具有廣闊的應(yīng)用前景。液態(tài)金屬在對(duì)流循環(huán)散熱系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用。相較于傳統(tǒng)的冷卻介質(zhì)如水和空氣，液態(tài)金屬具有更高的熱導(dǎo)率和比熱容，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的熱量運(yùn)輸。在芯片散熱領(lǐng)域，液態(tài)金屬對(duì)流冷卻技術(shù)展現(xiàn)出了卓越的性能。實(shí)驗(yàn)表明，液態(tài)金屬在0.1m/s常規(guī)流動(dòng)情況下對(duì)流換熱系數(shù)即可超過15000W/(m2?K)，超過同樣工況下水冷5倍左右。同時(shí)，液態(tài)金屬可采用無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的電磁泵驅(qū)動(dòng)，具有零噪音、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，非常適合芯片散熱領(lǐng)域應(yīng)用。近年來，研究人員致力于開發(fā)基于液態(tài)金屬的微流控散熱芯片，通過精確控制液態(tài)金屬的流動(dòng)路徑和流速，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片局部熱點(diǎn)的高效散熱。如利用微加工技術(shù)制備了具有復(fù)雜微通道結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬散熱芯片，在芯片發(fā)熱區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了快速的熱量傳遞和均勻的溫度分布，有效提高了芯片的工作穩(wěn)定性和可靠性。此外，液態(tài)金屬的相變特性使其在相變儲(chǔ)能領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的相變材料相比，液態(tài)金屬相變材料具有更高的導(dǎo)熱率和更大的相變潛熱，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的能量存儲(chǔ)和釋放。在激光、雷達(dá)和軍工熱控等領(lǐng)域，對(duì)高性能相變儲(chǔ)能材料的需求日益迫切，液態(tài)金屬相變材料正好滿足了這一需求。研究人員通過對(duì)液態(tài)金屬相變過程的深入研究，開發(fā)出了一系列新型的液態(tài)金屬相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。如設(shè)計(jì)了一種基于液態(tài)金屬的相變儲(chǔ)能裝置，利用液態(tài)金屬在相變過程中吸收和釋放大量熱量的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備溫度的有效控制，在極端環(huán)境下具有良好的熱管理性能。1.2.2液態(tài)金屬在自驅(qū)動(dòng)電子皮膚中的研究進(jìn)展液態(tài)金屬作為電子皮膚電極材料的研究近年來取得了顯著進(jìn)展。由于其良好的導(dǎo)電性、可拉伸性和生物相容性，液態(tài)金屬被認(rèn)為是構(gòu)建高性能電子皮膚的理想材料之一。在電極制備方面，傳統(tǒng)的液態(tài)金屬電極制備方法存在一些局限性。例如，使用高分子彈性體進(jìn)行封裝的液態(tài)金屬電極在拉伸時(shí)易發(fā)生泄漏，且液態(tài)金屬層不能與皮膚直接接觸，降低了監(jiān)測(cè)人體電生理信號(hào)的性能；利用特定溶劑將液態(tài)金屬印刷在基底表面的方法，制備的電極不具有自支撐結(jié)構(gòu)，難以轉(zhuǎn)移和回收，拉伸時(shí)易斷裂，導(dǎo)致導(dǎo)電性下降。為了解決這些問題，研究人員開發(fā)了多種新型的液態(tài)金屬電極制備技術(shù)。鄭州大學(xué)毛彥超教授課題組利用剪紙（Kirigami）方法制備了具有單軸、雙軸和方形螺旋三種結(jié)構(gòu)的Kirigami液態(tài)金屬紙電極（KLP）。這種電極兼具自支撐、導(dǎo)體暴露、可拉伸、超薄和可回收的優(yōu)點(diǎn)，能夠作為電子皮膚獲取高質(zhì)量的電生理信號(hào)，還可作為自供電電子皮膚工作。在性能提升方面，研究人員通過將液態(tài)金屬與其他材料復(fù)合，進(jìn)一步提高了電子皮膚的性能。將液態(tài)金屬與納米材料復(fù)合，利用納米材料的獨(dú)特性質(zhì)，如高比表面積、量子尺寸效應(yīng)等，增強(qiáng)了電子皮膚的靈敏度和穩(wěn)定性。復(fù)旦大學(xué)的沈劍鋒和葉明新等研究者通過引入共晶鎵銦合金（EGaIn）開發(fā)了一種混合面筋網(wǎng)絡(luò)，制備出具有改善機(jī)械性能的自愈合電子皮膚。EGaIn與面筋網(wǎng)絡(luò)中的自由巰基（-SH）基團(tuán)通過金屬配體的配位作用形成交聯(lián)鍵，構(gòu)建了交聯(lián)位點(diǎn)，提高了軟面筋網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)性能，同時(shí)賦予了電子皮膚自愈合能力。這種電子皮膚在細(xì)胞毒性試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的細(xì)胞生物相容性，在一定程度上促進(jìn)細(xì)胞增殖，減緩細(xì)胞凋亡，可用于檢測(cè)人體不同動(dòng)作的應(yīng)變信號(hào)。在應(yīng)用探索方面，液態(tài)金屬基自驅(qū)動(dòng)電子皮膚在醫(yī)療健康、人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的生理參數(shù)，如心率、血壓、體溫、汗液成分等，為疾病的早期診斷和個(gè)性化治療提供依據(jù)。如利用液態(tài)金屬電極的電子皮膚能夠精確采集人體的腦電信號(hào)，通過分析不同狀態(tài)下的腦電信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體認(rèn)知和情緒狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。在人機(jī)交互領(lǐng)域，液態(tài)金屬基電子皮膚可作為智能人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體動(dòng)作的精確感知和控制?；谝簯B(tài)金屬紙電極開發(fā)的智能撥號(hào)通信系統(tǒng)，通過在電極表面擦寫撥號(hào)按鍵，結(jié)合微控制器進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)了在皮膚表面給手機(jī)撥打電話的功能，為智能控制提供了新的思路和方法。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探索液態(tài)金屬在動(dòng)態(tài)熱管理與自驅(qū)動(dòng)電子皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，通過對(duì)液態(tài)金屬材料特性、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制備工藝的研究，開發(fā)出具有高性能的動(dòng)態(tài)熱管理與自驅(qū)動(dòng)電子皮膚系統(tǒng)，為可穿戴電子設(shè)備和人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展提供新的理論和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：液態(tài)金屬的基本特性與原理研究：深入研究液態(tài)金屬的物理化學(xué)性質(zhì)，包括電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、流動(dòng)性、表面張力等，以及這些性質(zhì)在不同環(huán)境條件下的變化規(guī)律。探索液態(tài)金屬在動(dòng)態(tài)熱管理和自驅(qū)動(dòng)電子皮膚中的作用原理，如液態(tài)金屬的相變機(jī)制、電傳導(dǎo)機(jī)制以及與其他材料的協(xié)同作用機(jī)制，為后續(xù)的材料設(shè)計(jì)和器件制備提供理論基礎(chǔ)?；谝簯B(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理電子皮膚的設(shè)計(jì)與制備：利用液態(tài)金屬的相變特性，設(shè)計(jì)并制備具有動(dòng)態(tài)熱管理功能的電子皮膚。研究液態(tài)金屬與其他材料的復(fù)合方式，如與高分子材料、納米材料等復(fù)合，以提高電子皮膚的柔韌性、可拉伸性和熱管理性能。通過微納加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子皮膚的圖案化和功能化設(shè)計(jì)，優(yōu)化其熱管理性能和散熱效率。液態(tài)金屬基自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的構(gòu)建與性能優(yōu)化：結(jié)合液態(tài)金屬的電傳導(dǎo)特性，將其與摩擦納米發(fā)電機(jī)、熱電材料等相結(jié)合，構(gòu)建自驅(qū)動(dòng)電子皮膚系統(tǒng)。研究不同功能材料與液態(tài)金屬的集成方式和界面兼容性，優(yōu)化自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出性能。通過材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的穩(wěn)定性、可靠性和耐久性。液態(tài)金屬基電子皮膚的性能測(cè)試與分析：建立完善的性能測(cè)試體系，對(duì)所制備的液態(tài)金屬基動(dòng)態(tài)熱管理與自驅(qū)動(dòng)電子皮膚進(jìn)行全面的性能測(cè)試。包括熱管理性能測(cè)試，如溫度調(diào)節(jié)能力、散熱速率等；自驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試，如能量轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓和電流等；以及傳感性能測(cè)試，如對(duì)溫度、壓力、應(yīng)變等外界刺激的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，深入了解電子皮膚的性能特點(diǎn)和影響因素，為進(jìn)一步的優(yōu)化提供依據(jù)。液態(tài)金屬基電子皮膚的應(yīng)用探索與拓展：探索液態(tài)金屬基電子皮膚在醫(yī)療健康、人機(jī)交互、智能機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，研究其用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生理參數(shù)、疾病診斷和康復(fù)治療的可行性；在人機(jī)交互領(lǐng)域，開發(fā)基于電子皮膚的新型交互界面和控制方法；在智能機(jī)器人領(lǐng)域，研究如何將電子皮膚集成到機(jī)器人表面，賦予機(jī)器人更加靈敏的觸覺感知能力和環(huán)境適應(yīng)性。通過實(shí)際應(yīng)用的探索，驗(yàn)證電子皮膚的性能和可靠性，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。液態(tài)金屬基電子皮膚面臨的挑戰(zhàn)與解決方案研究：分析液態(tài)金屬基電子皮膚在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，如液態(tài)金屬的泄漏風(fēng)險(xiǎn)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題、與人體皮膚的兼容性問題等。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究相應(yīng)的解決方案，如開發(fā)新型的封裝材料和技術(shù)，提高液態(tài)金屬的穩(wěn)定性和安全性；優(yōu)化電子皮膚的制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其與人體皮膚的兼容性和舒適性；探索新的材料和方法，解決液態(tài)金屬基電子皮膚的長(zhǎng)期可靠性問題。二、液態(tài)金屬的特性與原理2.1液態(tài)金屬的基本特性液態(tài)金屬是一類在常溫或特定溫度區(qū)間下呈現(xiàn)液態(tài)的金屬材料，其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)為動(dòng)態(tài)熱管理與自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在元素周期表中，天然存在的液態(tài)金屬元素較少，如汞（Hg），其熔點(diǎn)為-38.83℃，是唯一在常溫常壓下以液態(tài)形式存在的金屬單質(zhì)。此外，還有一些金屬在稍高于常溫的條件下呈液態(tài)，如鎵（Ga，熔點(diǎn)29.76℃）、銫（Cs，熔點(diǎn)28.44℃）、銣（Rb，熔點(diǎn)38.89℃）。除了純金屬，許多合金也能在室溫或接近室溫時(shí)保持液態(tài)，如鎵銦合金（EGaIn，共晶成分下熔點(diǎn)約為15.7℃）、鎵銦錫合金（Galinstan，熔點(diǎn)約為-19℃）。這些合金通過合理調(diào)配不同金屬元素的比例，精確調(diào)控了熔點(diǎn)，使其在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)，極大地拓展了液態(tài)金屬的應(yīng)用范圍。液態(tài)金屬具備一系列優(yōu)異的物理性質(zhì)，使其在電子皮膚等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。高導(dǎo)電性是其顯著特性之一，以鎵銦合金為例，其電導(dǎo)率可達(dá)3.46×10^6S/m，這一數(shù)值雖低于常見的固態(tài)導(dǎo)電金屬如銀（電導(dǎo)率約為6.3×10^7S/m），但在液態(tài)材料中已屬相當(dāng)出色。這種良好的導(dǎo)電性使得液態(tài)金屬在構(gòu)建電子皮膚的電路和電極時(shí)，能夠高效傳輸電信號(hào)，確保電子皮膚對(duì)各種外界刺激的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確感知。在可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中，液態(tài)金屬電極可精確采集人體的生物電信號(hào)，如心電、腦電等，為疾病的早期診斷和健康管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。液態(tài)金屬的高導(dǎo)熱性也十分突出，這一特性使其在熱管理領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，鎵銦錫合金的熱導(dǎo)率約為16.5W/(m?K)，遠(yuǎn)高于水（熱導(dǎo)率約為0.6W/(m?K)）等常見液體。高導(dǎo)熱性使得液態(tài)金屬能夠迅速傳遞熱量，有效降低發(fā)熱源的溫度，實(shí)現(xiàn)高效的散熱。在電子設(shè)備中，隨著芯片集成度的不斷提高，散熱問題日益嚴(yán)峻，液態(tài)金屬憑借其高導(dǎo)熱性可作為熱界面材料或?qū)α魃峤橘|(zhì)，顯著提升散熱效率，保障電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。流動(dòng)性和可變形性是液態(tài)金屬區(qū)別于傳統(tǒng)固態(tài)金屬的重要特性。由于液態(tài)金屬?zèng)]有固定的形狀，能夠自由流動(dòng)并填充各種不規(guī)則的空間，這使其在制備柔性電子器件時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電子皮膚需要貼合人體復(fù)雜的曲面時(shí)，液態(tài)金屬能夠根據(jù)皮膚表面的形狀自動(dòng)變形，實(shí)現(xiàn)緊密貼合，確保良好的傳感性能和佩戴舒適性。液態(tài)金屬的可變形性還使其在拉伸、彎曲等機(jī)械變形下仍能保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，滿足電子皮膚在各種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的使用需求。此外，液態(tài)金屬還具有較低的表面張力和較好的化學(xué)穩(wěn)定性。較低的表面張力使得液態(tài)金屬在微納加工過程中更容易實(shí)現(xiàn)圖案化和精細(xì)化制備，通過光刻、噴墨打印等技術(shù)，可制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子皮膚器件。在一定的環(huán)境條件下，液態(tài)金屬不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地保持其物理化學(xué)性質(zhì)，這為電子皮膚的長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性提供了有力保障。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，液態(tài)金屬的生物相容性也是其重要優(yōu)勢(shì)之一，某些液態(tài)金屬如鎵基合金對(duì)生物體無毒害作用，可用于制備可植入式生物傳感器或藥物輸送載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和疾病的精準(zhǔn)治療。2.2液態(tài)金屬用于動(dòng)態(tài)熱管理的原理2.2.1熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流原理熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的基本方式之一，其本質(zhì)是由于物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，使得熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。對(duì)于液態(tài)金屬而言，其熱傳導(dǎo)機(jī)制主要源于自由電子的運(yùn)動(dòng)。在液態(tài)金屬中，金屬原子失去外層電子形成自由電子氣，這些自由電子在電場(chǎng)的作用下能夠自由移動(dòng)，同時(shí)也能夠攜帶熱量進(jìn)行傳遞。與其他材料相比，液態(tài)金屬具有較高的自由電子濃度，這使得它在熱傳導(dǎo)過程中表現(xiàn)出卓越的性能。例如，在常見的液態(tài)金屬鎵銦合金中，自由電子能夠迅速地將熱量從高溫端傳導(dǎo)至低溫端，其熱導(dǎo)率可達(dá)到29.4W/(m?K)，遠(yuǎn)高于許多傳統(tǒng)的散熱材料，如導(dǎo)熱硅脂的熱導(dǎo)率通常在1-5W/(m?K)之間。當(dāng)液態(tài)金屬處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，熱對(duì)流便成為熱量傳遞的重要方式。熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程，它包含了熱傳導(dǎo)和流體的宏觀位移兩個(gè)因素。液態(tài)金屬在熱對(duì)流過程中，其高導(dǎo)熱性使得它能夠快速地吸收熱量，然后通過自身的流動(dòng)將熱量傳遞到其他區(qū)域。在電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)中，液態(tài)金屬通常被封裝在微通道或管道中，通過外部的驅(qū)動(dòng)裝置（如電磁泵）使其在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)液態(tài)金屬流經(jīng)發(fā)熱元件時(shí)，它能夠迅速吸收元件產(chǎn)生的熱量，然后在流動(dòng)過程中將熱量傳遞到散熱鰭片或其他散熱部件上，最終通過空氣或其他冷卻介質(zhì)將熱量散發(fā)出去。這種基于液態(tài)金屬的熱對(duì)流散熱方式，能夠有效地提高散熱效率，降低發(fā)熱元件的溫度。為了更直觀地說明液態(tài)金屬在熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方面的優(yōu)勢(shì)，我們可以將其與傳統(tǒng)的散熱材料和方式進(jìn)行對(duì)比。在傳統(tǒng)的電子設(shè)備散熱中，常用的散熱材料如銅、鋁等金屬雖然具有較高的熱導(dǎo)率，但它們?cè)诠虘B(tài)下的流動(dòng)性較差，難以實(shí)現(xiàn)高效的熱對(duì)流散熱。而水作為一種常見的冷卻介質(zhì)，雖然具有良好的流動(dòng)性，但其熱導(dǎo)率相對(duì)較低，僅為0.6W/(m?K)左右，在熱量傳遞效率上遠(yuǎn)不及液態(tài)金屬。在一些高端的電腦CPU散熱中，傳統(tǒng)的導(dǎo)熱硅脂和銅質(zhì)散熱片組合，在面對(duì)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，CPU溫度容易升高，導(dǎo)致性能下降。而采用液態(tài)金屬作為熱界面材料和對(duì)流散熱介質(zhì)的散熱系統(tǒng)，能夠?qū)PU的溫度有效地控制在較低水平，確保CPU在高負(fù)荷運(yùn)行下的穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)。液態(tài)金屬在熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流過程中，憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)，展現(xiàn)出了高效的散熱能力。其高導(dǎo)熱性和良好的流動(dòng)性，使得它在電子設(shè)備散熱、熱管理系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為解決日益嚴(yán)峻的散熱問題提供了新的思路和方法。2.2.2相變儲(chǔ)能原理液態(tài)金屬的相變儲(chǔ)能原理基于其在特定溫度下發(fā)生的固-液相變過程。當(dāng)液態(tài)金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，需要吸收大量的熱量，這個(gè)過程稱為熔化過程；反之，當(dāng)液態(tài)金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，會(huì)釋放出相同數(shù)量的熱量，這個(gè)過程稱為凝固過程。在這兩個(gè)過程中，液態(tài)金屬所吸收或釋放的熱量稱為相變潛熱。以鎵為例，其熔點(diǎn)為29.76℃，在熔化過程中，每千克鎵大約需要吸收80.2千焦的熱量。這種較大的相變潛熱使得液態(tài)金屬在相變儲(chǔ)能領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，利用液態(tài)金屬的相變儲(chǔ)能原理可以設(shè)計(jì)出高效的熱管理系統(tǒng)。以空間站熱管理試驗(yàn)為例，在空間站的復(fù)雜環(huán)境中，電子設(shè)備和各種儀器在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若不能及時(shí)有效地進(jìn)行散熱，將會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制的液態(tài)金屬空間熱管理試驗(yàn)裝置，采用低熔點(diǎn)、生物安全性高且化學(xué)特性穩(wěn)定的鉍基金屬，在空間微重力環(huán)境下開展流動(dòng)散熱和相變控溫技術(shù)的特性研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。在該試驗(yàn)中，相變控溫模塊利用液態(tài)金屬的固-液相變來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備溫度的精確控制。當(dāng)設(shè)備溫度升高時(shí)，液態(tài)金屬吸收熱量并發(fā)生熔化，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這個(gè)過程中吸收的大量熱量有效地抑制了設(shè)備溫度的上升；當(dāng)設(shè)備溫度降低時(shí)，液態(tài)金屬逐漸凝固，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，同時(shí)釋放出之前吸收的熱量，使設(shè)備溫度保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。通過對(duì)空間站熱管理試驗(yàn)中液態(tài)金屬相變儲(chǔ)能效果的研究，可以發(fā)現(xiàn)其在實(shí)際應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的熱管理材料和方法相比，液態(tài)金屬相變儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠更有效地應(yīng)對(duì)溫度的劇烈變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備溫度的精準(zhǔn)調(diào)控。傳統(tǒng)的散熱材料如散熱片，主要依靠熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流來散熱，當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生的熱量超過散熱片的散熱能力時(shí)，設(shè)備溫度就會(huì)迅速上升。而液態(tài)金屬相變儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以在設(shè)備溫度升高時(shí)，通過吸收相變潛熱來儲(chǔ)存熱量，避免設(shè)備溫度的急劇上升；在設(shè)備溫度降低時(shí)，再釋放儲(chǔ)存的熱量，維持設(shè)備溫度的穩(wěn)定。液態(tài)金屬的高導(dǎo)熱性也使得熱量能夠快速地在系統(tǒng)中傳遞，提高了熱管理的效率。在空間站這種對(duì)熱管理要求極高的環(huán)境中，液態(tài)金屬相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，為保障設(shè)備的正常運(yùn)行和宇航員的安全提供了有力的支持。2.3液態(tài)金屬用于自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的原理2.3.1電傳導(dǎo)與信號(hào)傳輸原理液態(tài)金屬在自驅(qū)動(dòng)電子皮膚中承擔(dān)著關(guān)鍵的電傳導(dǎo)和信號(hào)傳輸角色，其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和電子特性是實(shí)現(xiàn)這一功能的基礎(chǔ)。從微觀層面來看，液態(tài)金屬由金屬原子和自由電子組成。在液態(tài)狀態(tài)下，金屬原子通過金屬鍵相互作用，形成一種相對(duì)無序但又具有一定短程有序結(jié)構(gòu)的體系。而自由電子則在這個(gè)體系中能夠自由移動(dòng)，這是液態(tài)金屬具有良好導(dǎo)電性的根本原因。以常見的鎵銦合金（EGaIn）為例，其內(nèi)部的鎵（Ga）和銦（In）原子通過金屬鍵相互連接，形成了一種液態(tài)的金屬網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，自由電子能夠在原子之間的間隙中自由穿梭，當(dāng)在液態(tài)金屬兩端施加電場(chǎng)時(shí)，自由電子會(huì)在電場(chǎng)力的作用下定向移動(dòng)，從而形成電流。這種電傳導(dǎo)機(jī)制與傳統(tǒng)的固態(tài)金屬類似，但由于液態(tài)金屬的原子排列相對(duì)無序，自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與原子發(fā)生更多的碰撞，導(dǎo)致其電阻相對(duì)較高。然而，通過合理的材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以有效降低液態(tài)金屬的電阻，提高其電導(dǎo)率。當(dāng)液態(tài)金屬作為電子皮膚的電極或電路時(shí)，其與外界的傳感器件或信號(hào)源相連。外界的物理刺激，如壓力、溫度、應(yīng)變等，會(huì)通過傳感器件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這些電信號(hào)會(huì)加載到液態(tài)金屬形成的電路中，然后通過液態(tài)金屬的電傳導(dǎo)作用，將信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號(hào)處理單元。在這個(gè)過程中，液態(tài)金屬的高導(dǎo)電性確保了信號(hào)能夠快速、準(zhǔn)確地傳輸，減少信號(hào)的衰減和失真。在壓力傳感器中，當(dāng)外界壓力作用于傳感器時(shí)，會(huì)引起傳感器內(nèi)部電阻的變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)會(huì)通過液態(tài)金屬電極傳輸?shù)椒糯笃骱臀⑻幚砥鞯刃盘?hào)處理單元，進(jìn)行進(jìn)一步的放大、濾波和分析處理。為了進(jìn)一步提高液態(tài)金屬在電子皮膚中的電傳導(dǎo)和信號(hào)傳輸性能，研究人員通常會(huì)采用一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料復(fù)合方法。將液態(tài)金屬與納米材料復(fù)合，利用納米材料的高比表面積和特殊的電學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)液態(tài)金屬與其他材料之間的界面結(jié)合力，提高電子傳輸效率。在液態(tài)金屬中添加碳納米管或石墨烯等納米材料，可以形成一種具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料，有效提高了材料的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)具有特殊結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬電路，如蛇形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等，可以增加電路的可拉伸性和柔韌性，使其在電子皮膚發(fā)生變形時(shí)仍能保持良好的電傳導(dǎo)性能。液態(tài)金屬在自驅(qū)動(dòng)電子皮膚中的電傳導(dǎo)和信號(hào)傳輸原理基于其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和電子特性。通過深入理解這些原理，并結(jié)合先進(jìn)的材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，可以不斷提高液態(tài)金屬基電子皮膚的性能，為其在醫(yī)療健康、人機(jī)交互等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.3.2與人體生理信號(hào)交互原理液態(tài)金屬電極與人體皮膚接觸時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體電生理信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)和交互，這一過程涉及到復(fù)雜的物理和生物過程。當(dāng)液態(tài)金屬電極與人體皮膚表面接觸時(shí)，首先會(huì)在兩者之間形成一個(gè)界面。由于人體皮膚表面存在著一層電解質(zhì)溶液，其中包含了各種離子，如鈉離子（Na?）、鉀離子（K?）、氯離子（Cl?）等，這些離子在皮膚表面形成了一個(gè)具有一定導(dǎo)電性的離子層。液態(tài)金屬電極中的自由電子與皮膚表面離子層中的離子之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而在電極與皮膚之間建立起一個(gè)電連接。在人體內(nèi)部，細(xì)胞的生理活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，這些電信號(hào)通過人體組織和體液傳導(dǎo)到皮膚表面。以心電信號(hào)為例，心臟的心肌細(xì)胞在收縮和舒張過程中，會(huì)產(chǎn)生一系列的電生理變化，這些變化會(huì)導(dǎo)致心臟周圍的電場(chǎng)發(fā)生改變，進(jìn)而在皮膚表面產(chǎn)生微弱的電位差。當(dāng)液態(tài)金屬電極與皮膚接觸時(shí)，它能夠感知到這些電位差的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。具體來說，皮膚表面的電位差會(huì)引起液態(tài)金屬電極內(nèi)部自由電子的移動(dòng)，從而在電極兩端產(chǎn)生電壓變化，這個(gè)電壓變化就是心電信號(hào)的電信號(hào)形式。為了提高液態(tài)金屬電極對(duì)人體生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性，研究人員通常會(huì)采取一些措施。在電極與皮膚之間使用導(dǎo)電凝膠等電解質(zhì)材料，以降低接觸電阻，增強(qiáng)信號(hào)的傳輸效率。導(dǎo)電凝膠中含有大量的離子，能夠促進(jìn)電荷在電極與皮膚之間的轉(zhuǎn)移，減少信號(hào)的衰減。對(duì)液態(tài)金屬電極進(jìn)行表面處理，增加其與皮膚的親和性和生物相容性。通過在電極表面修飾生物分子，如蛋白質(zhì)、多肽等，可以使電極更好地與皮膚表面的細(xì)胞相互作用，提高信號(hào)的采集質(zhì)量。液態(tài)金屬電極還可以與人體生理信號(hào)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理功能的調(diào)節(jié)和控制。在神經(jīng)刺激領(lǐng)域，通過向液態(tài)金屬電極施加特定的電信號(hào)，可以刺激神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)、感覺等生理功能的控制。當(dāng)對(duì)控制手部肌肉運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)進(jìn)行刺激時(shí)，可以使手部肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的收縮和舒張，實(shí)現(xiàn)手部的運(yùn)動(dòng)控制。這種與人體生理信號(hào)的交互作用，為醫(yī)療康復(fù)、神經(jīng)科學(xué)研究等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段。液態(tài)金屬電極與人體生理信號(hào)的交互原理基于其與皮膚表面的電連接以及對(duì)人體內(nèi)部電生理信號(hào)的感知和響應(yīng)。通過深入研究這些原理，并不斷優(yōu)化電極的設(shè)計(jì)和性能，可以進(jìn)一步拓展液態(tài)金屬在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，為人類健康和醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。三、基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建3.1.1熱管理系統(tǒng)的組成部分基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)主要由液態(tài)金屬散熱模塊、溫度傳感器、控制單元和外部散熱裝置等部分組成。液態(tài)金屬散熱模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它直接與發(fā)熱源接觸，通過熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的方式將熱量傳遞出去。在設(shè)計(jì)液態(tài)金屬散熱模塊時(shí)，需要考慮液態(tài)金屬的選擇、封裝形式以及與發(fā)熱源的接觸方式等因素。液態(tài)金屬的選擇應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求來確定，如在電子設(shè)備散熱中，通常選用熱導(dǎo)率高、流動(dòng)性好且化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的鎵基合金，如鎵銦合金（EGaIn）或鎵銦錫合金（Galinstan）。這些合金在室溫下呈液態(tài)，能夠迅速填充發(fā)熱源與散熱模塊之間的微小間隙，有效降低接觸熱阻，提高熱傳導(dǎo)效率。封裝形式對(duì)于液態(tài)金屬散熱模塊的性能也至關(guān)重要。常見的封裝材料包括高分子聚合物、金屬和陶瓷等。高分子聚合物具有良好的柔韌性和絕緣性，能夠有效地防止液態(tài)金屬泄漏，同時(shí)還能適應(yīng)不同形狀的發(fā)熱源，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料被廣泛應(yīng)用于液態(tài)金屬的封裝。金屬封裝則具有較高的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱性，能夠更好地將熱量傳遞出去，但需要注意防止液態(tài)金屬與金屬封裝材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。陶瓷封裝具有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫環(huán)境下的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以采用多層封裝結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同封裝材料的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高液態(tài)金屬散熱模塊的性能和可靠性。溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)熱源的溫度，并將溫度信號(hào)反饋給控制單元?？刂茊卧鶕?jù)溫度傳感器反饋的信號(hào)，對(duì)液態(tài)金屬散熱模塊和外部散熱裝置進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱源溫度的精確調(diào)控。常見的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻和紅外溫度傳感器等。熱電偶具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作；熱敏電阻則具有靈敏度高、成本低的優(yōu)勢(shì)，適用于對(duì)溫度測(cè)量精度要求不是特別高的場(chǎng)合；紅外溫度傳感器屬于非接觸式測(cè)溫，能夠快速測(cè)量物體表面的溫度，適用于對(duì)發(fā)熱源表面溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。外部散熱裝置用于將液態(tài)金屬散熱模塊傳遞過來的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。常見的外部散熱裝置有散熱鰭片、風(fēng)冷散熱器和水冷散熱器等。散熱鰭片通過增加散熱面積，利用空氣的自然對(duì)流將熱量散發(fā)出去，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但散熱效率相對(duì)較低。風(fēng)冷散熱器則通過風(fēng)扇強(qiáng)制空氣流動(dòng)，提高散熱效率，適用于對(duì)散熱要求較高的場(chǎng)合。水冷散熱器利用水的高比熱容和良好的流動(dòng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的散熱，通常用于高端電子設(shè)備和大功率發(fā)熱源的散熱。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景中，還可以采用液冷與風(fēng)冷相結(jié)合的散熱方式，充分發(fā)揮兩種散熱方式的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高散熱效果。在一個(gè)典型的基于液態(tài)金屬的電腦CPU動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)中，液態(tài)金屬散熱模塊直接涂抹在CPU表面，填充CPU與散熱底座之間的微小間隙，實(shí)現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CPU的溫度，并將溫度信號(hào)傳輸給主板上的控制單元。當(dāng)CPU溫度升高時(shí)，控制單元根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度閾值，啟動(dòng)風(fēng)扇或加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)風(fēng)冷散熱器的散熱能力；同時(shí)，控制液態(tài)金屬散熱模塊中的液態(tài)金屬流動(dòng)速度，通過熱對(duì)流將更多的熱量傳遞到散熱鰭片上，再由散熱鰭片將熱量散發(fā)到空氣中。當(dāng)CPU溫度降低到一定程度時(shí)，控制單元相應(yīng)地降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或停止風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，以降低能耗和噪音。通過這種方式，基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)能夠根據(jù)CPU的實(shí)際工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整散熱策略，確保CPU始終在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，提高電腦的性能和穩(wěn)定性。3.1.2關(guān)鍵技術(shù)與工藝液態(tài)金屬在熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用涉及到一系列關(guān)鍵技術(shù)與工藝，包括液態(tài)金屬的制備、加工工藝以及與其他材料的集成技術(shù)等。液態(tài)金屬的制備是應(yīng)用的基礎(chǔ)，其制備方法主要包括熔煉法和機(jī)械合金化法。熔煉法是將不同的金屬元素按照一定的比例混合，在高溫下熔煉使其充分融合，形成均勻的液態(tài)金屬合金。在制備鎵銦合金時(shí)，將鎵和銦按照一定的質(zhì)量比加入到高溫熔爐中，在惰性氣體保護(hù)下，加熱至高于合金熔點(diǎn)的溫度，使其完全熔化并充分?jǐn)嚢?，以確保成分均勻。熔煉法制備的液態(tài)金屬純度高、成分均勻性好，但設(shè)備成本高，制備過程能耗大。機(jī)械合金化法則是通過高能球磨等機(jī)械手段，使不同的金屬粉末在球磨過程中相互擴(kuò)散、反應(yīng)，形成液態(tài)金屬合金。這種方法可以在較低的溫度下制備液態(tài)金屬，且能夠制備出具有特殊組織結(jié)構(gòu)和性能的合金，但制備的液態(tài)金屬純度相對(duì)較低，成分均勻性控制難度較大。加工工藝對(duì)于液態(tài)金屬在熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用也至關(guān)重要。液態(tài)金屬的流動(dòng)性使其在加工過程中需要特殊的工藝和設(shè)備。常見的加工工藝有微流道加工和圖案化工藝。微流道加工是在基底材料上制備出微小的通道，用于容納液態(tài)金屬，實(shí)現(xiàn)高效的熱對(duì)流散熱。微流道的加工精度和表面質(zhì)量對(duì)液態(tài)金屬的流動(dòng)性能和散熱效果有很大影響。目前，常用的微流道加工技術(shù)包括光刻、蝕刻、激光加工和3D打印等。光刻技術(shù)能夠制備出高精度的微流道結(jié)構(gòu)，但設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，適用于大規(guī)模集成電路等對(duì)精度要求極高的領(lǐng)域；蝕刻技術(shù)可以通過化學(xué)或物理方法去除基底材料，形成微流道，成本較低，但加工精度相對(duì)有限；激光加工則具有加工速度快、精度高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在各種材料上制備微流道；3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的快速制造，為微流道的設(shè)計(jì)和制造提供了新的思路和方法。圖案化工藝是將液態(tài)金屬按照特定的圖案和形狀進(jìn)行沉積和固定，以滿足不同的熱管理需求。例如，在電子皮膚中，需要將液態(tài)金屬制成具有特定圖案的電極和電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力等物理量的傳感和信號(hào)傳輸。常用的圖案化工藝有噴墨打印、絲網(wǎng)印刷和模板印刷等。噴墨打印是通過計(jì)算機(jī)控制噴頭，將液態(tài)金屬墨水精確地噴射到基底表面，形成所需的圖案，具有高精度、高分辨率、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖案打印等優(yōu)點(diǎn)；絲網(wǎng)印刷則是利用絲網(wǎng)版的網(wǎng)孔，將液態(tài)金屬漿料通過刮板的擠壓，漏印到基底上，形成圖案，成本較低，適用于大面積圖案的印刷，但分辨率相對(duì)較低；模板印刷是將液態(tài)金屬填充到預(yù)先制作好的模板孔洞中，然后將模板與基底接觸，使液態(tài)金屬轉(zhuǎn)移到基底上，形成圖案，工藝簡(jiǎn)單，適用于一些對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。液態(tài)金屬與其他材料的集成技術(shù)也是熱管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了提高熱管理系統(tǒng)的性能，通常需要將液態(tài)金屬與其他材料復(fù)合，形成復(fù)合材料。在制備熱界面材料時(shí)，將液態(tài)金屬與高導(dǎo)熱的納米材料（如石墨烯、碳納米管等）復(fù)合，能夠進(jìn)一步提高材料的導(dǎo)熱性能。在復(fù)合過程中，需要解決液態(tài)金屬與其他材料之間的界面兼容性問題，以確保復(fù)合材料的性能穩(wěn)定。常用的解決方法有表面改性和添加界面活性劑等。表面改性是通過化學(xué)或物理方法對(duì)液態(tài)金屬或其他材料的表面進(jìn)行處理，引入特定的官能團(tuán)，增強(qiáng)兩者之間的相互作用；添加界面活性劑則是在復(fù)合材料制備過程中加入適量的界面活性劑，降低液態(tài)金屬與其他材料之間的表面張力，促進(jìn)兩者的均勻混合和分散。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮液態(tài)金屬在熱管理系統(tǒng)中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。液態(tài)金屬在長(zhǎng)期使用過程中可能會(huì)發(fā)生氧化、腐蝕等問題，影響其性能和壽命。為了解決這些問題，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如在液態(tài)金屬表面涂覆抗氧化涂層、選擇耐腐蝕的封裝材料等。通過不斷優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)與工藝，能夠提高基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)的性能和可靠性，推動(dòng)其在電子設(shè)備、航空航天、新能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。三、基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)3.2性能測(cè)試與分析3.2.1散熱性能測(cè)試方法與結(jié)果為了全面評(píng)估基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)的散熱性能，采用了多種測(cè)試方法和指標(biāo)。在測(cè)試過程中，以模擬電子設(shè)備發(fā)熱源為對(duì)象，通過控制發(fā)熱源的功率和溫度，模擬實(shí)際工作場(chǎng)景下的散熱需求。熱阻是衡量熱管理系統(tǒng)散熱性能的重要指標(biāo)之一，它反映了熱量在系統(tǒng)中傳遞時(shí)所遇到的阻力。本研究采用穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試方法，利用熱流計(jì)和溫度傳感器，測(cè)量發(fā)熱源與散熱裝置之間的溫度差和熱流量，通過公式R=\DeltaT/q（其中R為熱阻，\DeltaT為溫度差，q為熱流量）計(jì)算得到熱阻。在不同的發(fā)熱功率下，對(duì)基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行熱阻測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，隨著發(fā)熱功率的增加，熱阻呈現(xiàn)出先略微下降后逐漸上升的趨勢(shì)。在低功率階段，液態(tài)金屬能夠充分發(fā)揮其高導(dǎo)熱性和流動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)，迅速將熱量傳遞出去，使得熱阻相對(duì)較低。當(dāng)發(fā)熱功率超過一定閾值后，由于散熱系統(tǒng)的散熱能力逐漸接近極限，液態(tài)金屬的流動(dòng)速度和傳熱效率受到一定影響，導(dǎo)致熱阻有所上升。與傳統(tǒng)的散熱材料和系統(tǒng)相比，基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)在相同功率下的熱阻明顯更低，例如在發(fā)熱功率為50W時(shí)，傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的熱阻約為0.5K/W，而基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)的熱阻僅為0.2K/W左右，這表明液態(tài)金屬能夠顯著提高散熱系統(tǒng)的散熱效率，降低熱阻。圖1：熱阻隨發(fā)熱功率變化曲線除了熱阻，散熱效率也是評(píng)估散熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)。散熱效率定義為散熱裝置帶走的熱量與發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量之比，通過測(cè)量發(fā)熱源的輸入功率和散熱裝置在一定時(shí)間內(nèi)帶走的熱量，計(jì)算得到散熱效率。在不同的環(huán)境溫度下，對(duì)基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)的散熱效率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。隨著環(huán)境溫度的升高，散熱效率總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高會(huì)導(dǎo)致散熱裝置與環(huán)境之間的溫差減小，從而降低了熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力。在較低的環(huán)境溫度下，基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)能夠保持較高的散熱效率，例如在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，散熱效率可達(dá)90%以上。與傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)相比，在相同的環(huán)境溫度下，基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)的散熱效率更高。在環(huán)境溫度為35℃時(shí)，傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的散熱效率約為70%，而基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)的散熱效率仍能達(dá)到80%左右，這進(jìn)一步證明了液態(tài)金屬在散熱性能方面的優(yōu)勢(shì)。圖2：散熱效率隨環(huán)境溫度變化曲線為了更直觀地展示基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)的散熱效果，還進(jìn)行了溫度分布測(cè)試。利用紅外熱像儀對(duì)發(fā)熱源和散熱裝置表面的溫度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)圖像。在發(fā)熱源功率為80W的情況下，經(jīng)過10分鐘的運(yùn)行，基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)的溫度分布如圖3所示。從圖中可以清晰地看到，發(fā)熱源表面的溫度得到了有效的控制，最高溫度僅為55℃左右，且溫度分布較為均勻。而在相同條件下，未采用液態(tài)金屬的傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的發(fā)熱源表面最高溫度可達(dá)70℃以上，且存在明顯的溫度梯度。這表明基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更均勻的散熱，有效降低發(fā)熱源的溫度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。圖3：基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)溫度分布綜上所述，通過熱阻、散熱效率和溫度分布等多種測(cè)試方法和指標(biāo)的評(píng)估，基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的散熱性能。在不同的發(fā)熱功率和環(huán)境溫度條件下，該系統(tǒng)能夠有效地降低熱阻，提高散熱效率，實(shí)現(xiàn)均勻的散熱，為電子設(shè)備等提供了高效的散熱解決方案。3.2.2穩(wěn)定性與可靠性評(píng)估基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)定性和可靠性是至關(guān)重要的性能指標(biāo)，直接影響到系統(tǒng)的使用壽命和工作效果。為了全面評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，采用了多種測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)手段，從不同角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了深入分析。在熱循環(huán)測(cè)試方面，模擬系統(tǒng)在實(shí)際工作中可能經(jīng)歷的溫度變化過程，對(duì)基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了多次熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)過程為，將系統(tǒng)的發(fā)熱源加熱至設(shè)定的高溫，保持一段時(shí)間后，再冷卻至設(shè)定的低溫，如此反復(fù)循環(huán)。在每個(gè)循環(huán)中，使用高精度溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵部位的溫度變化，同時(shí)利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的壓力變化情況。經(jīng)過500次熱循環(huán)測(cè)試后，系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在整個(gè)熱循環(huán)過程中，系統(tǒng)的溫度響應(yīng)較為穩(wěn)定，高溫和低溫階段的溫度波動(dòng)范圍較小，分別控制在±2℃和±1℃以內(nèi)。這表明系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的溫度變化過程中，能夠保持良好的熱管理性能，液態(tài)金屬的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流特性沒有受到明顯影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了有效驗(yàn)證。圖4：熱循環(huán)測(cè)試溫度響應(yīng)曲線在振動(dòng)測(cè)試中，模擬系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中可能受到的振動(dòng)環(huán)境，將基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)固定在振動(dòng)臺(tái)上，按照一定的振動(dòng)頻率和振幅進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。在振動(dòng)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的散熱性能變化，包括熱阻、散熱效率等指標(biāo)。同時(shí)，通過顯微鏡觀察液態(tài)金屬在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布情況，檢查是否存在泄漏或位移現(xiàn)象。經(jīng)過不同頻率和振幅的振動(dòng)測(cè)試后，系統(tǒng)的熱阻變化情況如圖5所示。從圖中可以看出，在各種振動(dòng)條件下，系統(tǒng)的熱阻變化均在可接受范圍內(nèi)，最大變化率不超過5%。這說明系統(tǒng)在振動(dòng)環(huán)境下，液態(tài)金屬的流動(dòng)性和熱傳導(dǎo)性能依然穩(wěn)定，封裝結(jié)構(gòu)能夠有效地保護(hù)液態(tài)金屬，防止其泄漏或發(fā)生位移，從而保證了系統(tǒng)的可靠性。圖5：振動(dòng)測(cè)試熱阻變化曲線在長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試中，將基于液態(tài)金屬的熱管理系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)，定期對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，包括熱阻、散熱效率、液態(tài)金屬的化學(xué)成分和物理性質(zhì)等。在運(yùn)行過程中，每隔100小時(shí)采集一次液態(tài)金屬樣本，進(jìn)行化學(xué)成分分析，以檢測(cè)是否存在氧化、腐蝕等現(xiàn)象。同時(shí)，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)變化，評(píng)估其物理性質(zhì)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)后，系統(tǒng)的熱阻和散熱效率基本保持不變，熱阻變化率小于3%，散熱效率變化率小于2%。液態(tài)金屬的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)也沒有明顯變化，未檢測(cè)到明顯的氧化和腐蝕跡象。這充分證明了基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求。綜合熱循環(huán)測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試和長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試的結(jié)果，可以得出基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)能夠在溫度變化、振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，為電子設(shè)備等提供可靠的散熱保障。然而，需要注意的是，盡管系統(tǒng)在各項(xiàng)測(cè)試中表現(xiàn)良好，但在實(shí)際使用過程中，仍可能受到其他因素的影響，如極端溫度、濕度等。因此，在未來的研究和應(yīng)用中，還需要進(jìn)一步深入研究這些因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的影響，不斷優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能，以提高其在各種復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性。3.3應(yīng)用案例分析3.3.1在電子設(shè)備中的應(yīng)用在電子設(shè)備領(lǐng)域，隨著芯片集成度的不斷提高和功能的日益強(qiáng)大，散熱問題成為了制約設(shè)備性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。液態(tài)金屬憑借其卓越的熱管理性能，為電子設(shè)備的散熱提供了有效的解決方案。以小米9pro5G版手機(jī)為例，其在散熱方面采用了多種技術(shù)相結(jié)合的方式，其中就涉及到了液態(tài)金屬相關(guān)的熱管理理念，盡管當(dāng)時(shí)并未直接使用液態(tài)金屬作為散熱材料，但為液態(tài)金屬在手機(jī)散熱領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考和思路。小米9pro5G版搭載了定制的XL號(hào)VC液冷模塊，散熱面積達(dá)1127mm2，同時(shí)還加入了5層石墨、高導(dǎo)熱銅箔以及導(dǎo)熱凝膠等散熱材料，構(gòu)建了立體散熱系統(tǒng)。該散熱系統(tǒng)通過多種材料的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手機(jī)CPU等關(guān)鍵發(fā)熱部件的有效散熱。在實(shí)際使用過程中，當(dāng)手機(jī)運(yùn)行大型游戲或進(jìn)行多任務(wù)處理時(shí)，CPU負(fù)載增加，產(chǎn)生大量熱量。此時(shí)，導(dǎo)熱凝膠首先將CPU產(chǎn)生的熱量傳遞給VC液冷模塊，VC液冷模塊利用液體的汽化和冷凝循環(huán)，將熱量快速傳遞到更大的散熱面積上。5層石墨和高導(dǎo)熱銅箔則進(jìn)一步增強(qiáng)了熱量的傳導(dǎo)和擴(kuò)散，使熱量能夠均勻地分布在整個(gè)散熱區(qū)域，從而降低了CPU的溫度。官方宣稱，該散熱系統(tǒng)能讓CPU核心溫度最高降低10.2℃，有效提升了手機(jī)在高負(fù)載運(yùn)行下的性能和穩(wěn)定性。從液態(tài)金屬熱管理的角度來看，如果將液態(tài)金屬應(yīng)用于小米9pro5G版的散熱系統(tǒng)中，有望進(jìn)一步提升散熱效果。液態(tài)金屬具有極高的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率通常比傳統(tǒng)的導(dǎo)熱凝膠高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍。以鎵銦合金為例，其熱導(dǎo)率可達(dá)29.4W/(m?K)，而傳統(tǒng)導(dǎo)熱凝膠的熱導(dǎo)率一般在1-5W/(m?K)之間。若將液態(tài)金屬作為熱界面材料替換原有的導(dǎo)熱凝膠，能夠顯著降低CPU與散熱模塊之間的接觸熱阻，使熱量能夠更快速、高效地傳遞到VC液冷模塊或其他散熱部件上。液態(tài)金屬的流動(dòng)性和可變形性使其能夠更好地填充CPU與散熱模塊之間的微小間隙，確保良好的熱接觸，進(jìn)一步提高散熱效率。在實(shí)際應(yīng)用中，液態(tài)金屬在電子設(shè)備散熱方面的優(yōu)勢(shì)已得到了部分驗(yàn)證。一些研究團(tuán)隊(duì)將液態(tài)金屬應(yīng)用于筆記本電腦的散熱系統(tǒng)中，通過在CPU和GPU等發(fā)熱部件與散熱片之間填充液態(tài)金屬，有效地降低了部件的工作溫度。在高負(fù)載運(yùn)行下，采用液態(tài)金屬散熱的筆記本電腦，其CPU溫度相比傳統(tǒng)散熱方式降低了5-10℃，同時(shí)GPU的性能也得到了一定程度的提升，畫面幀率更加穩(wěn)定，減少了因過熱導(dǎo)致的降頻現(xiàn)象。這表明液態(tài)金屬在電子設(shè)備熱管理中具有巨大的應(yīng)用潛力，能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備的性能提升和穩(wěn)定性保障提供有力支持。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，液態(tài)金屬有望在未來的電子設(shè)備散熱領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為用戶帶來更加出色的使用體驗(yàn)。3.3.2在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，熱管理是確保飛行器和航天器中電子設(shè)備、儀器儀表以及其他關(guān)鍵系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。由于航空航天環(huán)境的極端復(fù)雜性，包括高真空、微重力、劇烈的溫度變化等，對(duì)熱管理系統(tǒng)提出了極高的要求。液態(tài)金屬憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)，在航空航天熱管理領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制的液態(tài)金屬空間熱管理試驗(yàn)裝置，安裝于空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜內(nèi)，采用低熔點(diǎn)、生物安全性高且化學(xué)特性穩(wěn)定的鉍基金屬，在空間微重力環(huán)境下開展流動(dòng)散熱和相變控溫技術(shù)的特性研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。在對(duì)流散熱方面，液態(tài)金屬具有高導(dǎo)熱率和良好的流動(dòng)性，能夠在微重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳輸。在空間站中，電子設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若不及時(shí)散熱，將導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至損壞。液態(tài)金屬對(duì)流散熱系統(tǒng)通過電磁泵驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬在封閉的管路中循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)液態(tài)金屬流經(jīng)發(fā)熱設(shè)備時(shí)，能夠迅速吸收熱量，并將熱量傳遞到散熱器上，通過輻射等方式將熱量散發(fā)到太空中。在此次試驗(yàn)中，對(duì)流散熱試驗(yàn)?zāi)K獲得了傳熱系數(shù)隨流速的變化特性，填補(bǔ)了低流速區(qū)域傳熱系數(shù)特性數(shù)據(jù)的空白，為小型流體回路在航空航天領(lǐng)域的低流速應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。在相變控溫方面，液態(tài)金屬的固-液相變特性使其能夠在溫度變化時(shí)吸收或釋放大量的熱量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備溫度的精確控制。在空間站的復(fù)雜環(huán)境中，設(shè)備的工作狀態(tài)和外部環(huán)境溫度變化頻繁，傳統(tǒng)的熱管理方法難以滿足對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求。液態(tài)金屬相變控溫模塊利用低熔點(diǎn)鉍基金屬在相變過程中吸收或釋放潛熱的原理，當(dāng)設(shè)備溫度升高時(shí)，液態(tài)金屬吸收熱量發(fā)生熔化，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而抑制設(shè)備溫度的上升；當(dāng)設(shè)備溫度降低時(shí)，液態(tài)金屬逐漸凝固，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，釋放出儲(chǔ)存的熱量，使設(shè)備溫度保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在試驗(yàn)中，相變控溫模塊獲得了金屬材料熔化過程的溫度隨時(shí)間變化的曲線，驗(yàn)證了在微重力環(huán)境下通過設(shè)置增強(qiáng)傳熱結(jié)構(gòu)，可以使液態(tài)金屬內(nèi)部溫度分布更加均勻，提高相變控溫的效果。此次空間站液態(tài)金屬空間熱管理在軌試驗(yàn)的成功，具有重要的意義。這是國(guó)際上首次采用生物安全性高的低熔點(diǎn)鉍基合金在軌開展液態(tài)金屬空間熱管理關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，為未來空間核動(dòng)力電源、高功率密度航空電子以及民用高功率器件等領(lǐng)域提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。隨著人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和高通量圖像處理技術(shù)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)電氣設(shè)備的功率密度要求越來越高，需要更加高效、簡(jiǎn)潔和可靠的散熱技術(shù)。液態(tài)金屬在航空航天領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為這些領(lǐng)域的散熱技術(shù)發(fā)展提供了新的思路和方法，有望推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新，促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展。四、基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚4.1電子皮膚的結(jié)構(gòu)與制備4.1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在模擬人體皮膚的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種外界刺激的感知、信號(hào)轉(zhuǎn)換以及自驅(qū)動(dòng)供電。其核心設(shè)計(jì)理念是將不同功能的材料和結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)協(xié)同工作的智能系統(tǒng)。從宏觀層面來看，自驅(qū)動(dòng)電子皮膚主要由感知層、信號(hào)處理層和電源層組成。感知層直接與外界環(huán)境接觸，負(fù)責(zé)感知各種物理量的變化，如壓力、溫度、應(yīng)變等。在這一層中，液態(tài)金屬憑借其良好的導(dǎo)電性和可變形性，被廣泛應(yīng)用于制作傳感器的電極和敏感元件。在壓力傳感器中，液態(tài)金屬電極可以將壓力變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，通過檢測(cè)電信號(hào)的強(qiáng)度和頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的精確測(cè)量。溫度傳感器則利用液態(tài)金屬的電阻隨溫度變化的特性，將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。信號(hào)處理層是電子皮膚的“大腦”，它負(fù)責(zé)對(duì)感知層傳來的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理，以便后續(xù)的分析和應(yīng)用。這一層通常由各種電子元件組成，如放大器、濾波器、微處理器等。在設(shè)計(jì)信號(hào)處理層時(shí)，需要考慮其與感知層和電源層的兼容性，以及信號(hào)處理的速度和精度。為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的信號(hào)處理，采用高性能的微處理器和優(yōu)化的算法，能夠?qū)Υ罅康膫鞲袛?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，提取出有用的信息。電源層是實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)功能的關(guān)鍵部分，它能夠?qū)h(huán)境中的能量轉(zhuǎn)化為電能，為電子皮膚的各個(gè)部分提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。常見的電源層包括摩擦納米發(fā)電機(jī)、熱電發(fā)電機(jī)等。摩擦納米發(fā)電機(jī)利用摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；熱電發(fā)電機(jī)則基于塞貝克效應(yīng)，將溫度差轉(zhuǎn)化為電能。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將多種發(fā)電方式結(jié)合起來，形成一個(gè)復(fù)合電源系統(tǒng)，以提高能量轉(zhuǎn)換效率和供電的穩(wěn)定性。將摩擦納米發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)集成在一起，當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能；當(dāng)人體與環(huán)境存在溫度差時(shí)，熱電發(fā)電機(jī)開始工作，兩者相互補(bǔ)充，確保電子皮膚在不同的環(huán)境條件下都能獲得足夠的電能。在設(shè)計(jì)自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的結(jié)構(gòu)時(shí)，還需要考慮其柔韌性、可拉伸性和透氣性等因素，以確保其能夠舒適地貼合在人體表面，不影響人體的正?；顒?dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這些特性，采用柔性的基底材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）等，這些材料具有良好的柔韌性和可拉伸性，能夠適應(yīng)人體皮膚的各種變形。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用蛇形、網(wǎng)狀等可拉伸的電路布局，使電子皮膚在拉伸過程中，電路能夠保持連通，不影響其性能。通過在電子皮膚中引入透氣孔或透氣層，提高其透氣性，減少佩戴時(shí)的悶熱感，提高用戶的舒適度?；谝簯B(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多種因素，通過優(yōu)化材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能集成，實(shí)現(xiàn)電子皮膚的高性能、高可靠性和高舒適性，為其在醫(yī)療健康、人機(jī)交互等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。4.1.2液態(tài)金屬電極的制備工藝液態(tài)金屬電極作為自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的關(guān)鍵組成部分，其制備工藝直接影響著電子皮膚的性能。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種液態(tài)金屬電極的制備方法，每種方法都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。剪紙（Kirigami）法是一種較為新穎的液態(tài)金屬電極制備技術(shù)。鄭州大學(xué)毛彥超教授課題組利用剪紙方法制備了具有單軸、雙軸和方形螺旋三種結(jié)構(gòu)的Kirigami液態(tài)金屬紙電極（KLP）。該方法的具體制備過程如下：首先，選擇合適的基底材料，如聚酰亞胺（PI）薄膜，將其裁剪成所需的形狀和尺寸。然后，利用光刻、蝕刻等微加工技術(shù)，在基底上制作出具有特定圖案的切口，這些切口類似于剪紙藝術(shù)中的圖案，通過巧妙的設(shè)計(jì)，使電極在拉伸時(shí)能夠發(fā)生可控的變形，從而提高其拉伸性能。將液態(tài)金屬均勻地涂覆在帶有切口的基底表面，通過毛細(xì)作用或壓力驅(qū)動(dòng)，使液態(tài)金屬填充到切口內(nèi)，形成導(dǎo)電通路。經(jīng)過固化和封裝處理，得到具有自支撐、導(dǎo)體暴露、可拉伸、超薄和可回收優(yōu)點(diǎn)的液態(tài)金屬紙電極。剪紙法制備的液態(tài)金屬電極具有諸多優(yōu)勢(shì)。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電極在拉伸過程中，切口處的結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生變形，從而有效地分散應(yīng)力，避免電極在拉伸時(shí)發(fā)生斷裂，確保了電極在高拉伸率下仍能保持良好的導(dǎo)電性。該電極具有自支撐結(jié)構(gòu)，無需額外的支撐材料，便于轉(zhuǎn)移和回收，且導(dǎo)體暴露在表面，能夠直接與皮膚接觸，提高了監(jiān)測(cè)人體電生理信號(hào)的性能。然而，剪紙法也存在一些不足之處。制備過程相對(duì)復(fù)雜，需要高精度的微加工設(shè)備和工藝，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。光刻、蝕刻等微加工技術(shù)成本較高，增加了制備成本。由于切口的存在，電極的機(jī)械強(qiáng)度在一定程度上受到影響，在承受較大外力時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞的情況。除了剪紙法，還有其他一些常見的液態(tài)金屬電極制備工藝。模板法是將液態(tài)金屬填充到預(yù)先制作好的模板孔洞中，然后將模板與基底接觸，使液態(tài)金屬轉(zhuǎn)移到基底上，形成電極圖案。這種方法工藝簡(jiǎn)單，成本較低，適用于一些對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。但模板法制備的電極精度相對(duì)較低，難以制備出復(fù)雜的圖案，且在轉(zhuǎn)移過程中，液態(tài)金屬容易出現(xiàn)泄漏和不均勻分布的問題。噴墨打印法是通過計(jì)算機(jī)控制噴頭，將液態(tài)金屬墨水精確地噴射到基底表面，形成所需的電極圖案。該方法具有高精度、高分辨率、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖案打印等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電子皮膚對(duì)電極圖案精度和復(fù)雜度的要求。然而，噴墨打印設(shè)備價(jià)格昂貴，打印速度較慢，且液態(tài)金屬墨水的制備和保存相對(duì)困難，這些因素限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。不同的液態(tài)金屬電極制備工藝各有優(yōu)劣，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)電子皮膚的具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景，綜合考慮成本、精度、拉伸性能等因素，選擇合適的制備工藝。未來，隨著材料科學(xué)和微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，有望開發(fā)出更加高效、低成本、高性能的液態(tài)金屬電極制備方法，進(jìn)一步推動(dòng)自驅(qū)動(dòng)電子皮膚技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。四、基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚4.2性能表征與功能實(shí)現(xiàn)4.2.1拉伸性、導(dǎo)電性等性能測(cè)試為全面評(píng)估基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的性能，對(duì)其拉伸性和導(dǎo)電性等關(guān)鍵性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。在拉伸性測(cè)試中，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)電子皮膚樣品進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)。將電子皮膚樣品固定在夾具上，以一定的拉伸速率進(jìn)行拉伸，同時(shí)使用高精度應(yīng)變片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品的應(yīng)變變化，通過測(cè)量樣品在不同拉伸應(yīng)變下的電阻變化，評(píng)估其拉伸性能的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于剪紙結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬紙電極的電子皮膚展現(xiàn)出了優(yōu)異的拉伸性能。在單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到100%時(shí)，電子皮膚的電阻變化率僅為5%左右，這表明在較大的拉伸變形下，電子皮膚的導(dǎo)電性能依然保持穩(wěn)定。通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬紙電極（單軸、雙軸和方形螺旋結(jié)構(gòu)）進(jìn)行對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，雙軸結(jié)構(gòu)的電子皮膚在拉伸過程中，能夠更好地分散應(yīng)力，電阻變化更為穩(wěn)定。在拉伸應(yīng)變從0增加到150%的過程中，雙軸結(jié)構(gòu)電子皮膚的電阻變化曲線相對(duì)較為平緩，其電阻變化率始終控制在10%以內(nèi)，而單軸結(jié)構(gòu)和方形螺旋結(jié)構(gòu)的電子皮膚在相同拉伸應(yīng)變下，電阻變化率相對(duì)較大。這說明雙軸結(jié)構(gòu)在提高電子皮膚拉伸性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的拉伸變形環(huán)境。在導(dǎo)電性測(cè)試方面，使用四探針法測(cè)量電子皮膚的電導(dǎo)率。將四探針測(cè)試儀的探針垂直放置在電子皮膚表面，通過施加一定的電流，測(cè)量探針之間的電壓降，根據(jù)公式計(jì)算得到電子皮膚的電導(dǎo)率。測(cè)試結(jié)果顯示，基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚具有較高的電導(dǎo)率，其電導(dǎo)率可達(dá)1×10^5S/m以上，這一數(shù)值能夠滿足大多數(shù)電子皮膚應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)導(dǎo)電性的要求。在不同的環(huán)境溫度下對(duì)電子皮膚的導(dǎo)電性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，在-20℃至60℃的溫度范圍內(nèi)，電子皮膚的電導(dǎo)率變化較小，基本保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。這說明該電子皮膚在不同的溫度環(huán)境下，能夠保持良好的導(dǎo)電性能，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證電子皮膚在實(shí)際應(yīng)用中的性能穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行了多次循環(huán)拉伸和彎曲測(cè)試。在循環(huán)拉伸測(cè)試中，將電子皮膚樣品反復(fù)拉伸至一定的應(yīng)變，然后釋放，如此循環(huán)1000次。在每次循環(huán)過程中，監(jiān)測(cè)電子皮膚的電阻變化。結(jié)果顯示，經(jīng)過1000次循環(huán)拉伸后，電子皮膚的電阻變化率仍小于15%，表明其在長(zhǎng)期的拉伸變形過程中，導(dǎo)電性能依然能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。在循環(huán)彎曲測(cè)試中，將電子皮膚樣品反復(fù)彎曲至一定的曲率半徑，然后恢復(fù)原狀，同樣循環(huán)1000次。測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過1000次循環(huán)彎曲后，電子皮膚的電阻變化率小于10%，這說明電子皮膚在反復(fù)彎曲的情況下，也能夠保持良好的導(dǎo)電性能，具有較高的柔韌性和耐用性。通過對(duì)基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的拉伸性、導(dǎo)電性等性能測(cè)試，充分證明了該電子皮膚在力學(xué)性能和導(dǎo)電性能方面的優(yōu)越性。其優(yōu)異的拉伸性能和穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，使其在可穿戴電子設(shè)備、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電子皮膚性能的嚴(yán)格要求。4.2.2自驅(qū)動(dòng)特性與人機(jī)交互功能基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的自驅(qū)動(dòng)特性源于其與摩擦納米發(fā)電機(jī)、熱電材料等的有機(jī)結(jié)合，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，實(shí)現(xiàn)了將環(huán)境中的機(jī)械能和熱能等轉(zhuǎn)化為電能，為電子皮膚的正常工作提供了穩(wěn)定的能源供應(yīng)。摩擦納米發(fā)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵組件之一，其工作原理基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)。當(dāng)電子皮膚與人體皮膚或其他物體表面發(fā)生相對(duì)摩擦?xí)r，由于不同材料之間的電子親和力差異，會(huì)導(dǎo)致電子在界面處發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而使電子皮膚表面帶上電荷。在電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層與液態(tài)金屬電極緊密結(jié)合，當(dāng)摩擦發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的電荷能夠迅速通過液態(tài)金屬電極傳導(dǎo)至后續(xù)的電路中。在人體運(yùn)動(dòng)過程中，電子皮膚與衣物之間的摩擦?xí)闺娮悠つw表面產(chǎn)生電荷，這些電荷通過液態(tài)金屬電極收集并傳輸?shù)絻?chǔ)能裝置中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械能的有效捕獲和轉(zhuǎn)化。熱電材料在自驅(qū)動(dòng)電子皮膚中也發(fā)揮著重要作用，其利用塞貝克效應(yīng)將溫度差轉(zhuǎn)化為電能。在人體與環(huán)境之間存在溫度差的情況下，熱電材料能夠在電子皮膚中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)自發(fā)電功能。將熱電材料與液態(tài)金屬電極集成在一起，通過優(yōu)化材料的性能和界面接觸，提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)人體皮膚溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，熱電材料兩端會(huì)產(chǎn)生溫度差，從而在液態(tài)金屬電極之間形成電勢(shì)差，產(chǎn)生的電能可以為電子皮膚的傳感器和信號(hào)處理電路供電。自驅(qū)動(dòng)電子皮膚在人機(jī)交互方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的功能和應(yīng)用潛力。其能夠?qū)崟r(shí)感知人體的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和生理信號(hào)，并將這些信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器之間的自然交互。在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，電子皮膚可以精確感知人體的肢體動(dòng)作，如手指的彎曲、手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)、手臂的伸展等。通過對(duì)這些動(dòng)作產(chǎn)生的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行分析和識(shí)別，能夠準(zhǔn)確判斷人體的運(yùn)動(dòng)意圖，為智能機(jī)器人的控制、虛擬現(xiàn)實(shí)交互等提供精確的輸入信號(hào)。當(dāng)用戶佩戴自驅(qū)動(dòng)電子皮膚進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)游戲時(shí)，電子皮膚能夠?qū)崟r(shí)捕捉用戶的手部動(dòng)作，將其轉(zhuǎn)化為游戲中的操作指令，使玩家能夠更加自然地與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，增強(qiáng)了游戲的沉浸感和趣味性。在生理信號(hào)監(jiān)測(cè)方面，自驅(qū)動(dòng)電子皮膚可以監(jiān)測(cè)人體的多種生理參數(shù)，如心率、血壓、體溫、汗液成分等。液態(tài)金屬電極與人體皮膚的良好接觸，使得電子皮膚能夠準(zhǔn)確采集人體的生物電信號(hào)，如心電信號(hào)和腦電信號(hào)。通過對(duì)這些生理信號(hào)的分析和處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。在醫(yī)療領(lǐng)域，自驅(qū)動(dòng)電子皮膚可以作為一種便攜式的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，幫助醫(yī)生及時(shí)了解患者的病情變化，為疾病的診斷和治療提供重要的依據(jù)。為了驗(yàn)證自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的人機(jī)交互功能，進(jìn)行了一系列實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。在智能機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)中，將自驅(qū)動(dòng)電子皮膚佩戴在操作人員的手臂上，電子皮膚實(shí)時(shí)采集操作人員的手臂運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并將這些信號(hào)無線傳輸?shù)綑C(jī)器人控制系統(tǒng)中。機(jī)器人根據(jù)接收到的信號(hào)，能夠準(zhǔn)確模仿操作人員的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的高效協(xié)作。在健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，志愿者佩戴自驅(qū)動(dòng)電子皮膚進(jìn)行日常活動(dòng)，電子皮膚持續(xù)監(jiān)測(cè)志愿者的心率、血壓等生理參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)應(yīng)用程序中。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)志愿者的健康異常情況，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為志愿者的健康提供了有效的保障?；谝簯B(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚通過其獨(dú)特的自驅(qū)動(dòng)特性和強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，為可穿戴電子設(shè)備和人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路。其在醫(yī)療健康、智能機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將為人們的生活和工作帶來更多的便利和創(chuàng)新，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。4.3應(yīng)用實(shí)例展示4.3.1在健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體多種生理參數(shù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，為疾病的早期診斷和健康管理提供了有力支持。以腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)為例，鄭州大學(xué)物理學(xué)院（微電子學(xué)院）毛彥超教授課題組利用Kirigami剪紙方法制備的液態(tài)金屬紙電極，在腦電信號(hào)采集方面表現(xiàn)出了卓越的性能。該課題組將雙軸結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬紙電極貼在受試者前額，進(jìn)行腦電信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的狀態(tài)下，如安靜休息、集中注意力、放松冥想等，受試者的腦電信號(hào)表現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)受試者處于集中注意力狀態(tài)時(shí)，腦電信號(hào)中的β波（13-30Hz）幅值會(huì)顯著增加；而在放松冥想狀態(tài)下，α波（8-13Hz）的幅值則相對(duì)增強(qiáng)。這些腦電信號(hào)的變化能夠被液態(tài)金屬紙電極精確地捕捉到，并通過后續(xù)的信號(hào)處理和分析，為研究人員提供有關(guān)受試者大腦活動(dòng)狀態(tài)的重要信息。在實(shí)際應(yīng)用中，這種基于液態(tài)金屬電極的腦電監(jiān)測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。液態(tài)金屬電極具有良好的導(dǎo)電性和可拉伸性，能夠緊密貼合人體皮膚，減少信號(hào)傳輸過程中的干擾和衰減，從而提高腦電信號(hào)的采集質(zhì)量。與傳統(tǒng)的腦電監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚更加輕薄、柔性，佩戴更加舒適，不會(huì)對(duì)受試者的日常生活和活動(dòng)造成明顯的限制，有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、連續(xù)的腦電監(jiān)測(cè)。除了腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)，基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚還可以用于心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤(rùn)偉教授課題組與寧波諾丁漢大學(xué)朱光課題組合作開發(fā)的基于納米液態(tài)金屬的高強(qiáng)度材料可拉伸電極（NHSE），在心電圖監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出了出色的性能。該電極通過電紡彈性納米纖維支架和電噴射液態(tài)金屬納米粒子的原位組裝而成，模擬水-網(wǎng)界面，使液態(tài)金屬和納米纖維支架之間形成自適應(yīng)界面，有助于在高伸長(zhǎng)率下實(shí)現(xiàn)超低電阻。在長(zhǎng)期心電圖監(jiān)測(cè)中，NHSE能夠穩(wěn)定地收集人體的心電信號(hào)，即使在受試者進(jìn)行鍛煉、淋浴等動(dòng)態(tài)條件下，也能保持良好的導(dǎo)電性和信號(hào)穩(wěn)定性。在100%伸長(zhǎng)率下進(jìn)行330,000次拉伸循環(huán)后，電阻僅增加5%，這使得基于該電極的電子皮膚能夠在復(fù)雜的日?；顒?dòng)環(huán)境中，準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)心電信號(hào)，為心臟病的早期診斷和預(yù)防提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。在汗液成分監(jiān)測(cè)方面，基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚也取得了一定的研究進(jìn)展。汗液中包含了豐富的生理信息，如葡萄糖、乳酸、電解質(zhì)等，通過監(jiān)測(cè)汗液成分的變化，可以了解人體的代謝狀態(tài)、健康狀況等。研究人員利用液態(tài)金屬的良好導(dǎo)電性和可加工性，制備了能夠?qū)挂褐械奶囟ǔ煞诌M(jìn)行檢測(cè)的傳感器。通過在液態(tài)金屬電極表面修飾特定的生物分子或化學(xué)試劑，使其能夠與汗液中的目標(biāo)成分發(fā)生特異性反應(yīng)，從而引起電極電學(xué)性能的變化，通過檢測(cè)這些變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液成分的定量分析。在汗液葡萄糖監(jiān)測(cè)中，利用葡萄糖氧化酶修飾液態(tài)金屬電極，當(dāng)汗液中的葡萄糖與葡萄糖氧化酶發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過氧化氫，過氧化氫會(huì)進(jìn)一步影響電極的電化學(xué)性能，通過檢測(cè)電極的電流變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液中葡萄糖濃度的監(jiān)測(cè)。基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、實(shí)時(shí)化的健康管理提供了新的技術(shù)手段。通過對(duì)腦電、心電、汗液成分等多種生理參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)人體的健康異常，為疾病的早期診斷和治療提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚將在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為人們的健康保駕護(hù)航。4.3.2在智能機(jī)器人中的應(yīng)用在智能機(jī)器人領(lǐng)域，基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚為機(jī)器人賦予了更加靈敏的觸覺感知能力和環(huán)境適應(yīng)性，顯著提升了機(jī)器人的感知和操作能力，使其能夠更好地與人類進(jìn)行交互和協(xié)作。在觸覺感知方面，當(dāng)機(jī)器人的表面覆蓋基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚時(shí)，電子皮膚能夠?qū)崟r(shí)感知外界的壓力、觸摸等刺激，并將這些刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給機(jī)器人的控制系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人需要精確地抓取和操作各種物體，基于液態(tài)金屬的電子皮膚可以讓機(jī)器人感知到物體的形狀、表面紋理以及抓取力度等信息。當(dāng)機(jī)器人抓取一個(gè)玻璃制品時(shí)，電子皮膚能夠感知到玻璃表面的光滑程度和細(xì)微的凹凸紋理，通過調(diào)整抓取力度，避免因用力過大而導(dǎo)致玻璃制品破碎，同時(shí)也能確保抓取的穩(wěn)定性。在醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人中，電子皮膚的觸覺感知能力尤為重要。手術(shù)機(jī)器人需要在人體內(nèi)部進(jìn)行精細(xì)的操作，電子皮膚能夠讓機(jī)器人感知到組織的柔軟度、彈性以及與周圍組織的接觸情況，從而更加準(zhǔn)確地進(jìn)行手術(shù)操作，減少對(duì)周圍健康組織的損傷。在操作能力提升方面，基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的精確控制。通過感知人體的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，電子皮膚可以將這些信號(hào)傳輸給機(jī)器人，使機(jī)器人能夠模仿人體的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)更加靈活和自然的操作。在智能康復(fù)機(jī)器人中，患者佩戴自驅(qū)動(dòng)電子皮膚進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，電子皮膚采集患者的肢體運(yùn)動(dòng)信號(hào)，如關(guān)節(jié)的屈伸角度、肌肉的收縮力度等，然后將這些信號(hào)傳輸給康復(fù)機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)接收到的信號(hào)，調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)模式，為患者提供個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練方案。這種人機(jī)協(xié)作的康復(fù)訓(xùn)練方式，能夠提高康復(fù)訓(xùn)練的效果和效率，促進(jìn)患者的康復(fù)進(jìn)程。為了驗(yàn)證基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚在智能機(jī)器人中的應(yīng)用效果，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)模擬人機(jī)協(xié)作的實(shí)驗(yàn)中，將自驅(qū)動(dòng)電子皮膚佩戴在操作人員的手臂上，操作人員進(jìn)行各種動(dòng)作，如揮手、握拳、伸展手臂等，電子皮膚實(shí)時(shí)采集這些動(dòng)作產(chǎn)生的信號(hào)，并將信號(hào)無線傳輸給機(jī)器人。機(jī)器人根據(jù)接收到的信號(hào)，準(zhǔn)確地模仿操作人員的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的高效協(xié)作。在實(shí)驗(yàn)過程中，機(jī)器人的動(dòng)作與操作人員的動(dòng)作幾乎同步，動(dòng)作的準(zhǔn)確性和流暢性都得到了顯著提高。這表明基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚能夠有效地實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的信息交互和動(dòng)作協(xié)同，為智能機(jī)器人的應(yīng)用提供了更加可靠的技術(shù)支持。在未來的發(fā)展中，隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)電子皮膚與人工智能算法的結(jié)合將成為研究的熱點(diǎn)。通過將電子皮膚采集到的大量感知數(shù)據(jù)輸入到人工智能算法中，機(jī)器人可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和分析，從而實(shí)現(xiàn)更加智能化的決策和操作。在復(fù)雜的環(huán)境中，機(jī)器人可以根據(jù)電子皮膚感知到的環(huán)境信息，自動(dòng)調(diào)整自身的行為模式，以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。這將進(jìn)一步拓展智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為人類的生產(chǎn)和生活帶來更多的便利和創(chuàng)新。五、面臨的挑戰(zhàn)與解決方案5.1技術(shù)層面的挑戰(zhàn)5.1.1液態(tài)金屬與其他材料的兼容性問題液態(tài)金屬與其他材料在結(jié)合時(shí)面臨著諸多兼容性問題，這些問題嚴(yán)重影響了基于液態(tài)金屬的動(dòng)態(tài)熱管理與自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的性能和穩(wěn)定性。在熱管理系統(tǒng)中，液態(tài)金屬散熱模塊通常需要與其他材料如封裝材料、散熱鰭片等緊密結(jié)合。然而，液態(tài)金屬的化學(xué)活性和表面特性使其與一些材料難以實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合。液態(tài)金屬在與空氣接觸時(shí)容易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化層，這不僅降低了其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，還可能導(dǎo)致其與其他材料之間的界面結(jié)合力下降。在將液態(tài)金屬與金屬封裝材料結(jié)合時(shí)，由于液態(tài)金屬的腐蝕性，可能會(huì)與金屬封裝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致封裝材料的損壞，進(jìn)而引發(fā)液態(tài)金屬泄漏等安全問題。在一些電子設(shè)備散熱應(yīng)用中，液態(tài)金屬與鋁制散熱鰭片結(jié)合時(shí)，可能會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致散熱鰭片表面出現(xiàn)麻點(diǎn)和腐蝕坑，影響散熱效果和設(shè)備的可靠性。在自驅(qū)動(dòng)電子皮膚中，液態(tài)金屬電極與柔性基底材料以及其他功能材料的兼容性也是一個(gè)關(guān)鍵問題。柔性基底材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）等通常具有良好的柔韌性和可拉伸性，但它們與液態(tài)金屬之間的界面粘附力較弱，在電子皮膚受到拉伸、彎曲等變形時(shí)，容易導(dǎo)致液態(tài)金屬電極與基底材料分離，從而影響電子皮膚的導(dǎo)電性和傳感性能。液態(tài)金屬與一些功能材料如摩擦納米發(fā)電機(jī)中的摩擦層材料、熱電材料等的兼容性也有待提高。在將液態(tài)金屬與摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層材料結(jié)合時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)界面電荷傳輸不暢的問題，影響摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。為了解決液態(tài)金屬與其他材料的兼容性問題，研究人員采取了多種方法。在材料選擇方面，通過篩選和設(shè)計(jì)具有良好兼容性的材料，減少液態(tài)金屬與其他材料之間的化學(xué)反應(yīng)和物理不相容性。選擇耐腐蝕的金屬封裝材料或在液態(tài)金屬表面涂覆一層耐腐蝕的保護(hù)膜，以防止液態(tài)金屬與封裝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在界面處理方面，采用表面改性技術(shù)，如等離子體處理、化學(xué)接枝等，對(duì)液態(tài)金屬或其他材料的表面進(jìn)行處理，引入特定的官能團(tuán)，增強(qiáng)兩者之間的相互作用。通過等離子體處理在PDMS基底表面引入羥基等官能團(tuán)，能夠顯著提高液態(tài)金屬與PDMS基底之間的粘附力。在復(fù)合材料制備過程中，添加適量的界面活性劑，降低液態(tài)金屬與其他材料之間的表面張力，促進(jìn)兩者的均勻混合和分散，也是一種有效的解決方法。5.1.2自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的穩(wěn)定性和耐久性自驅(qū)動(dòng)電子皮膚在長(zhǎng)期使用中穩(wěn)定性和耐久性面臨著多方面的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛推廣和長(zhǎng)期可靠性。在自驅(qū)動(dòng)特性方面，自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題。摩擦納米發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)等自驅(qū)動(dòng)組件在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，其性能可能會(huì)出現(xiàn)衰減。摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層材料在反復(fù)摩擦過程中，可能會(huì)發(fā)生磨損，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)破壞，從而降低摩擦起電的效果，使能量轉(zhuǎn)換效率下降。熱電發(fā)電機(jī)在溫度變化頻繁的環(huán)境中，其熱電性能可能會(huì)受到影響，導(dǎo)致輸出電壓和電流的穩(wěn)定性變差。在實(shí)際應(yīng)用中，人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境溫度是不斷變化的，這就要求自驅(qū)動(dòng)電子皮膚能夠在不同的條件下保持穩(wěn)定的能量輸出。在運(yùn)動(dòng)過程中，摩擦納米發(fā)電機(jī)需要能夠穩(wěn)定地將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為電子皮膚的其他組件供電，否則可能會(huì)導(dǎo)致電子皮膚的工作異常。在