作者

陈刚胜、马标*、刘宏*

机构

东南大学

Citation

Chen G S, Ma B, Chen Y J, Gao Y K, Zhang H, Zhang W X, Chen D X, Yu W W, Liu H. 2026. A stretchable liquid metal switch for interactive and autonomous soft machines. Int. J. Extrem. Manuf. 8 015510.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae05d6

撰稿 | 文章作者

文章导读

软机器在复杂环境中展现出优异的适应性与灵活性，在人机交互、手术辅助和可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。自然界中，人脑神经突触通过兴奋/抑制两种状态精细调控神经信号传导，从而实现复杂的认知与决策功能；与此相似，电子开关依托其通/断特性调节信息与能量的流动，为机器系统提供基础的逻辑判断能力。作为软机器中的核心控制单元，柔性可拉伸电子开关的综合性能关系到整个系统的逻辑处理效率与功能实现水平。然而，现有柔性开关普遍面临结构复杂、触发方式单一以及性能受限等问题，在一定程度上制约了其工程化应用与系统级智能拓展。

近期，东南大学刘宏研究员/马标博士团队利用液态金属的电磁自收缩效应和流体自修复特性，构建出高性能柔性液态金属开关，并进一步了构建可交互柔性抓手和自主爬行器等智能软机器。相关成果以“A stretchable liquid metal switch for interactive and autonomous soft machines”为题发表在SCI期刊《极端制造（英文）》上。

图文解析

研究者发现封装于弹性体中的液态金属线路在不同电流条件下表现出显著的机电响应差异。在低电流条件下，受压液态金属线路呈现连续的电阻变化，展现出典型的压力传感器特性。而在高电流条件下，线路则表现出独特的开关特性，其电阻值发生约9个数量级的阶跃式突变，实现从导体到绝缘体的可逆转变。研究者基于这一现象开发的微型液态金属柔性开关具有以下突出优势：微型化（0.5×1.5×10 mm³）、超高开关比（~10⁹）、快速响应（<100 ms）、优异耐久性（>12,000次循环）及支持多模式（光/磁/电/热/气）控制（图1）。

图1 液态金属线路的机电响应特性。

液态金属柔性开关的工作原理基于电磁自收缩效应和流体自修复效应的协同作用。其中，电磁自收缩效应是指载流导体在通电时，其自身电流产生的环形磁场与电流相互作用，产生指向轴心的洛伦兹力，从而引起导体径向收缩的物理现象。在压力作用下，液态金属导线的横截面积减小导致电流密度急剧增大，从而触发电磁自收缩效应，最终使导电通路断开（图2）。当外力撤除后，在弹性通道回复力作用下，液态金属凭借其优异的流体自修复特性重新建立导电通路。这种独特的双效应协同机制赋予了液态金属开关优异的开关性能（图3）。

图2 液态金属柔性开关效应的机理研究。

图3 液态金属柔性开关性能表征。

该液态金属开关可与气动和磁控单元集成，实现气/磁控模式，用于构建可交互柔性抓手和磁控仿生蝴蝶（图4）。

图4 基于液态金属柔性开关的气动/磁控软致动器。

进一步地，开关与液晶弹性体集成，实现光/电控模式，用于构建光控电磁软膜和自主软爬行器（图5）。

图5 基于液态金属柔性开关的光/电控软机器。

此外，利用电路的串并联设计和开关的灵活穿戴，实现了包括非门（NOT）、或门（OR）和与门（AND）等在内的可穿戴机电逻辑门（图6）。

图6 基于液态金属柔性开关的可穿戴逻辑电路。

总结与展望

本研究利用液态金属流体的电磁自收缩与自修复机理构建高性能柔性开关，并与刺激响应材料集成实现多模态控制，进而搭建一系列智能软机器。后续工作将围绕开关的微型化、集成化与功能化持续推进，开发具备更高自主决策能力的下一代智能软机器。

作者团队简介

刘宏

东南大学

刘宏，东南大学首席教授，国家万人计划领军人才，现任学院科研副院长、中国电子学会理事。长期从事医学数字融合、生物电子学与智能材料等交叉方向研究。近5年以第一/通讯作者在 Nat. Rev. Bioeng.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Nucleic Acids Res. 等期刊发表论文40余篇，部分研究成果被美国NIH历史博物馆收藏，并被新华社等10余家中央及中字头媒体报道。先后主持国家重点研发计划课题2项，以及江苏省重点研发计划、江苏省基础研究重大项目、江苏省双创团队等多项科研项目。曾获树兰医学青年奖、中国电子学会优秀科技工作者、江苏省十佳双创名师、江苏省医药科技奖等荣誉。

马标

东南大学

马标，东南大学生物科学与医学工程学院助理研究员、数字医学工程全国重点实验室成员。长期聚焦液态金属的独特物质效应及其在生物电子和软机器中的功能应用。迄今以第一/通讯作者在 Matter、Advanced Functional Materials、Advanced Science 等期刊发表论文27篇，相关成果被引用2000余次。多项研究工作受到国际媒体关注，包括 ACS Headline Science 专题视频报道、Phys.org、Science Daily、Chemistry Views 等的亮点报道；创办了“液态金属FM”微信公众号，持续传播液态金属领域的前沿进展。