近年来，可穿戴电子设备和人工智能（AI）的快速发展推动了健康监测和运动跟踪等产品的创新。作为可穿戴电子的核心部件之一，应变传感器因其能够检测多种人类活动和生理信号而广受关注。基于电阻型的柔性应变传感器因制备工艺简单而成为研究热点，但其性能往往面临灵敏度与感测范围之间的权衡。此外，传感器的热性能对电阻稳定性和佩戴舒适性至关重要，但鲜有研究深入探讨这些方面。当前亟需一种在延展性、灵敏度和散热性能方面表现均衡的高性能应变传感器，同时具备多功能感测能力，以满足复杂应用需求。

  相关研究以论文《Ultraflexible Sensor Development via 4D Printing: Enhanced Sensitivity to Strain, Temperature, and Magnetic Fields》发表在《Advanced Science》。

  对于基于电阻变化的传感器而言，导电网络的构建至关重要。理想的导电网络应该同时具备灵敏且快速的响应能力，优越的稳定性，宽广的工作范围，以及与保护基体良好的兼容性。基于碳纳米管（CNTs）出色的导电能力和极高的长径比，研究者将其均匀地分散到了具有出色延展性的硅树脂橡胶（Ecoflex00-10）基体中。与此同时，为了填补CNTs之间以及CNTs与基体间可能存在的空隙，研究者创新性地引入了液态金属（稼铟锡合金，LM），制备了LM@CNTs纳米材料。LM出色的导电性以及形态自适应能力使得它能够完美地融入导电网络并增强其稳定性。更进一步，研究者将微米级的铁粉引入复合基体中，以赋予材料额外的磁场响应能力。

复合墨水固化前后的基本特性。a) 不同组分墨水的成型及固化能力。b) 未固化的Ecoflex 和LM@CNTs/铁粉/Ecoflex墨水的流变性质。c) DIW 挤出LM@CNTs/铁粉/Ecoflex样品的结构及组分示意图。d) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex 样品断面的 SEM 图像和 (e-e3) EDS 图。f) Ecoflex和LM@CNTs/铁粉/Ecoflex 传感器的拉伸曲线。g) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex 传感器在 50% 至 200% 各种应变下的第一个应变-应力循环。h) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex 传感器在 50% 应变下进行 1000 次拉伸和释放循环的长期力曲线。i) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器在第 1、5、10、50、100 和 1000 次拉伸和释放循环中的力-应变循环。

LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的传感特性。 a) 不同CNTs含量的传感器的电阻率。 b) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的相对电阻-应变曲线。c）LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器在10%到200%不同应变幅度，应变率为2 mm·min^?1的循环拉伸下的相对电阻响应。 d) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器在 2 至 16 mm·min^?1 不同应变率， 100% 应变幅度循环拉伸下的相对电阻响应。 e) 拉伸的响应时间。f) 微小应变循环拉伸下的相对电阻变化。 g) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器在50%应变幅度下进行2500次拉伸和释放循环的长期耐久性测试。插入图显示了第1500-1510个周期的详细信息。h) 与最近报道的应变传感器的比较。传感器对i) 不同手势的响应和对 j) 不同喉部运动的响应。传感器对k) 肘部弯曲不同角度的响应和对 l) 膝关节在不同动作下的响应。

LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的热学性能。 a) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的 TGA 曲线。b）LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的DSC曲线。c) Ecoflex，LM/Ecoflex 和 LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的热导率。d) Ecoflex，e) LM/Ecoflex 和 f) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex薄片在 120 °C 加热台上的模拟热平衡。g) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器在36和175 V 电压下的温度-时间曲线。h) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的相对电阻-温度曲线。i) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的热耐久性测试，在-20 °C 至室温之间进行 30 个循环。j) LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的热耐久性测试，在室温至 120 °C 之间进行 30 个循环。k) Ecoflex，LM@Ecoflex 和 LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的热释放率曲线。 l) Ecoflex，LM@Ecoflex 和 LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的总放热量比较。

LM@CNTs/铁粉/Ecoflex传感器的磁学性能。a）“爬行毛毛虫”，b）专门设计的样品在磁场引导下像毛毛虫一样移动。c）“游动的鱼”，携带电线的双材料鱼在磁场引导下（d1）向前，（d2）向后，（d3）向左和（d4）向右游动并最终(e)形成回路。f)“小球通过迷宫”，其中携带电线的样品球在磁场的引导下穿过迷宫，形成电路。g) 基于磁性的汽车定位和速度检测的示意图。h) 不同速度下汽车的电响应。i) 弱势老人和儿童家庭监测应用示意图。

  综上所述，研究者通过混合CNTs，LM，铁粉以及Ecoflex00-10硅橡胶树脂制备了可打印的复合墨水，并通过DIW4D打印技术成功打印了具有高灵敏度，高稳定性，大应变范围，以及多功能的传感器部件。本文中的新型材料体系大幅改善了传感器的热性能，而4D打印技术的引入进一步增强了传感器的功能性及对于预设响应模式的调控能力。这一传感器可应用于人体及机器人的动作监测，并在普通或极端环境均可进行工作，具有广阔的应用前景。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411584