具有高柔韧性和优异介电性能的液态金属（LM）介电弹性体是柔性电容式压力传感器的理想材料。然而，高 LM 填充率下不可避免的渗流问题阻碍了 LM 介电弹性体的发展。非均匀分布是调控渗流阈值的有效策略。在此，浙江大学秦发祥教授团队引入了一种新的静电纺丝辅助方法，制备了一种具有超高填充比的非渗透性油菜花状液态金属纤维垫，可作为 LM 介电弹性体的新范例。该成果发布在《Advanced Fiber Materials》期刊。

受油菜籽结构的启发，本研究旨在获得一种非均匀分布，其中 LM 集中在类似种荚的簇中，类似于果实，而聚合物像种皮一样包裹着 LM。不含 LM 的细纤维连接这些 “油菜籽”，提供结构支撑。如图 1b 所示，LM 不均匀地分布在热塑性聚氨酯（TPU）中，形成不同的簇区域，表现出独特的油菜籽状结构。图 1c 中的光学显微镜照片展示了 LM/TPU 纤维垫的结构。富含 LM 的油菜籽状区域显得更亮，而不含 LM 的细纤维显得更暗，并连接油菜籽状区域。在静电纺丝的帮助下，这种油菜籽状结构的 TPU 纤维垫首次实现了高达90%的 LM 体积分数，使介电复合材料无渗流。图 1d 的示意图和图 1e 的 FEM 模拟均证实，油菜籽状结构中断了导电网络。油菜籽状区域的高 LM 含量有助于提高介电常数，而细纤维中的低 LM 含量则起到机械增强作用。这种创新设计不仅解决了高 LM 含量下介电复合材料的渗流问题，还保留了纤维垫的柔韧性。

这些高孔隙率的 LM/TPU 纤维垫具有低模量和优异的柔韧性，从图2g可以看到，在 70% 应变下应力为 142.8 kPa。它们的可回收性提高了资源效率并支持环境可持续性。此外，所开发的纤维垫表现出温度不敏感性、防水性以及可回收性，这些优良的特性拓宽了它们的潜在应用环境，以及在复杂环境中使用的稳定性。

LM/TPU 纤维垫的较低介电常数（ε=2.91）使所构建的柔性电容式压力传感器表现出宽压力范围（0–550 kPa）、更高的最大相对电容变化（最大 ΔC/C₀=6.32）、优异的压力灵敏度（55 MPa⁻¹）、强大的长期稳定性（6000 次循环）以及良好的数据可读性，参见图3。

为了证明 LM/TPU 纤维传感器的实用性，进行了几项测试研究，包括机器人抓手的智能分拣、压力分布检测和远程按键监控。结果证实了该柔性传感器具有改善的数据可读性、准确性和稳定性。例如，在智能分类任务中，安装了 LM/TPU 纤维的传感器的三指机器人夹持器能够根据信号强度和延迟时间精准区分立方体、球体和圆柱体。在压力分布监测方面，4×4 传感器阵列可以精确地将压力分布情况可视化。而在远程按键监控方面，利用 MCU 的蓝牙模块，该传感器能够实现对 16 个按键的远程监控，识别准确率高达 97.5%（参见图4）。这些实验结果充分展示了 LM/TPU 纤维传感器在实际应用中的潜力和可靠性。

综上所述，本研究通过创新的静电纺丝辅助方法，成功制备出具有独特油菜花状结构的高含量液态金属（LM）/热塑性聚氨酯（TPU）纤维垫，实现了高达90%的LM填充且无渗透问题。这种纤维垫不仅具备低模量、柔韧性、可回收性、温度不敏感性和防水性能等优点，还显著提升了柔性电容式压力传感器的性能，使其具有宽压力范围（0–550 kPa）、高灵敏度（55 MPa⁻¹）、大电容信号响应（最大ΔC/C₀为6.32）和高循环稳定性（6000次循环）。该研究为柔性电容式压力传感器的设计和应用提供了新的思路和高性能材料。

文献来源：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00515-y