2024-01 柔性传感器领域的进展

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[1]H. Zhu, H. Luo, M. Cai, and J. Song, “A Multifunctional Flexible Tactile Sensor Based on Resistive Effect for Simultaneous Sensing of Pressure and Temperature,” Advanced Science, p. 2307693, Dec. 2023, doi: 10.1002/advs.202307693.

触觉(如压力、温度、振动、应变等) 是大多数生物从外界获取信息的重要感知形式之一它使生物能够与周围环境进行协调、高效的互动。受人体皮肤启发的柔性触觉传感器在假肢智能机器人、人机界面和健康监测设备等应用领域具有巨大潜力因此受到了广泛关注。过去十年来，人们探索了各种基于不同传导机制的柔性触觉传感器，包括电阻式、电容式、压电式、和摩擦静电式传感器，这些传感器的性能都有所提高。此外，为了提高信号识别的可靠性，机器学习算法正在成为揭示多通道数据集之间相关性和细微差别的有效手段。为了获得更多有趣的功能，柔性触觉传感器的发展趋势是向集成柔性传感器系统发展，一般指传感器阵列集成、多模态柔性传感器集成和集成信号处理系统。

特别是，能够同时检测压力和温度的柔性触觉传感器对于触摸识别、物体操纵和自我保护至关重要。一种是结合异构传感机制，引入对温度不敏感和对压力不敏感的变量，分别测量压力和温度，包括压阻和热电传感器、压电/摩擦静电和热阻传感器、以及压电电容和热阻传感器。这种策略通常会产生两种不同的输出，从而避免了信号去糟的精细设计，但多重传感平合中不同的材料和机构往往会带来高昂的制造成本、广泛使用的电阻)，易于大规模集成，但需要精细的信号去耦设计。

在这里，报告了一种基于电阻效应的多功能柔性触觉传感器，用于同时感测压力和温度。该传感器采用简单的设计，在具有空腔和突起的软基板上具有图案化金属膜（即由聚酰亚胺封装的金属层）。压力和温度传感的解耦可以通过不同位置的图案化金属膜的可区分的机电行为来实现。采用成熟的微加工工艺来制造多功能柔性触觉传感器像素和阵列。系统地进行了数值和实验研究，以揭示解耦传感机制。借助图案化金属膜中金属层的合理排列，所提出的触觉传感器具有干扰可忽略不计、线性好、稳定性高、检测限小和响应快的高性能。多功能柔性触觉传感器像素在涉及温度/压力耦合刺激的各种应用场景中监测触摸、呼吸和脉搏的演示，以及用于感知压力和温度空间分布的多功能柔性触觉传感器阵列的演示，说明了传感器的巨大潜力。电子皮肤和健康监测设备等应用。

[2]H. Wang et al., “High‐Performance Hydrogel Sensors Enabled Multimodal and Accurate Human–Machine Interaction System for Active Rehabilitation,” Advanced Materials, p. 2309868, Dec. 2023, doi: 10.1002/adma.202309868.

脑卒中是威胁人类健康的全球性脑血管疾病之一[ 1-4 ]，大多数幸存者会因神经传递通路受损而出现不同程度的肢体活动障碍，严重影响正常生活。[ 5 - 7 ]幸运的是，长时间和重复的运动被认为是一种有效的策略，可以通过逐渐加强常用区域的神经网络来改善偏瘫，从而使患者最终康复。然而，传统的被动康复方法需要训练有素的医务人员，且费用昂贵且供应短缺，尤其是在 COVID-19 大流行期间。[ 8 , 9 ]鉴于目前已经提出了各种外骨骼康复机器人来辅助患者进行重复性动作，与手动模式相比，能够更好地保证在长期康复训练下每次重复性动作的频率和强度的精确控制，因而在医院得到广泛应用。[ 10 - 12 ]然而，被动康复由于未能形成从意图到执行的闭合神经回路，因此效果较差。[ 13 , 14 ]近年来，主动康复策略被提出，将康复机器人与先进的人机交互（HMI）技术相结合，使患者通过预先获取患者的运动意图来主动参与康复训练。[ 7,15,16 ]然而，在这些情况下，通过精确灵活的传感器实时采集人体肌肉运动信号是主动康复的基础。研究人员表明，肌电图（EMG）和脑电图等电生理信号可用于识别人体运动意图，这些信号是通过将表皮电极应用于特定身体部位的表皮而获得的。[ 17 - 20 ]这些信号在时间上领先于肢体运动。相比之下，肌电信号由于信号采集和处理更容易，更适合用于主动康复。[ 21-23 ]需要从这些收集到的信号中提取特征变量，输入到训练有素的神经网络中进行后续分类和识别。[ 21 , 24 ]到目前为止，基于肌电信号的人体运动意图识别仍然存在两个主要挑战。一是由于运动伪影的存在，难以采集具有高信噪比（SNR）的表面肌电信号。表皮电极要求具有高导电性，并与皮肤紧密、保形接触，以实现低电极-皮肤界面阻抗，这是采集高质量肌电信号的关键。[ 25-28 ]另一个是从单通道肌电信号中提取的特征变量不足以有效区分多个动作，导致识别精度较低。[ 29 , 30 ]除了肌电图信号之外，肌力描记法（FMG）是另一个重要的肌肉活动信号。[ 31 - 34 ]迄今为止，各种高灵敏度压力传感器已被用来通过紧密附着在皮肤表面来检测细微的FMG信号，例如电阻传感器、压电传感器、电阻聚合物厚膜传感器和基于织物的传感器，并在主动康复中也得到了广泛的应用。[ 33 , 35 - 39 ]在这些传感器中，电阻式压力传感器由于其检测电路简单且稳定性较高，是FMG检测中最常用的传感器。[ 33 , 35 , 37 - 39 ]集成来自同一肌肉区域的 EMG 和 FMG 信号的 HMI 界面有可能提高人机交互的效率和准确性。

此外，在需要与人体皮肤直接接触的HMI界面中，还需要使用柔性、轻量化和生物相容性的组件来赋予佩戴舒适性，这是未来的必然趋势。[ 40 - 44 ]在界面传感模块方面，石墨烯、碳纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米颗粒等多种传感材料已被广泛报道，表现出一定的灵活性。[ 45 - 49 ]然而，由于其拉伸性差、自粘性弱、与皮肤的贴合性不够，仍难以应用于HMI界面。值得注意的是，具有三维网络结构的富含水的水凝胶具有类皮肤的机械性能、导电性、生物相容性、低成本和多刺激响应能力，使其成为HMI界面中很有前途的柔性传感材料。[ 50 - 57 ]当用于制造表皮电极时，尤其需要优化水凝胶的粘附力，旨在即使在出汗时也能在水凝胶和生物皮肤之间构建无缝、保形且长期稳定的界面。[ 58 , 59 ]一般来说，水凝胶的自粘性可以通过在网络中引入粘合成分和官能团来增强。受水生生物的启发，将富含儿茶酚基团的物质引入水凝胶中将是实现水环境中粘附的有效策略，并且水凝胶有望长时间粘附在皮肤表面。[ 60 , 61 ]此外，用普通水凝胶监测微小的FMG信号极具挑战性。这是由于在小变形下固体水凝胶的离子传输路径的变化可以忽略不计，而没有其他机制的参与，导致响应性差。为了优化对压力的响应能力，主流研究致力于将 MXene、石墨烯和碳纳米管等电子导电纳米填料引入水凝胶中。[ 62 - 64 ]结果，随着添加的填料之间的接触发生变化，在这些复合水凝胶中可以观察到响应变形的更大的阻力变化。尽管如此，这些传感器仍然不足以检测微弱的FMG信号并需要复杂的制造工艺，因此迫切需要进一步开发更高性能的基于水凝胶的压力传感器。同时，对于HMI界面的信号处理和传输模块，还需要设计小尺寸、低功耗的柔性印刷电路板（FPCB），通过集成各种电子元件来保证整个HMI交互系统的耐磨性，包括传感器位于柔性基板上。

为了应对这些挑战，我们开发了智能康复HMI系统，结合多模态传感模块和人工智能（AI）算法，实现超高精度动作意图解码以驱动机器人操作。该多模态传感模块由高导电性、可拉伸、自粘性和生物相容性的单宁酸（TA）改性聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶基表皮电极和基于大孔水凝胶结构的高灵敏度压力传感器组成。由于水凝胶的成分和结构的单独调制和耦合，EMG 和 FMG 信号都可以轻松监测。设计了灵活、小尺寸、轻量化的FPCB，用于后续信号调理、处理和无线传输，与传感器模块形成理想的可穿戴HMI界面。利用AI算法对传输的数据进行分段、特征提取、分类和识别，可以高效分析运动意图并形成相应的控制命令。与传统的多通道肌电信号相比，基于肌电和FMG信号联合的多模态人机交互方法通过增加交互信号的信息熵，显着提高了人机交互的效率。仅两通道不同手势的交互信号解码准确率达到91.28%，远高于双通道肌电模块的解码准确率（48.89%）。同时，与石墨烯、MXene等许多材料相比，用于HMI的水凝胶具有制备工艺简单、生产成本低等优点。我们进一步应用开发的智能HMI系统来控制机器人手套，实现人体主动运动意图参与的主动康复训练，证明了该系统的可行性。此外，还演示了该系统对机械手、智能汽车、无人机等其他遥感平台的手势控制。这项工作为下一代多模态自然人机交互系统的设计提出了一种新的、简单的策略，实现了更加智能、高效、便捷的交互方式。

[3]Y. Zhang et al., “Thermal and Moisture Managing E‐Textiles Enabled by Janus Hierarchical Gradient Honeycombs,” Advanced Materials, p. 2311633, Dec. 2023, doi: 10.1002/adma.202311633.

新兴的电子纺织品（e-textiles）由于其先进的数字元件和电子产品的集成，在各个领域显示出巨大的潜力。[ 1 , 2 ]这些应用包括但不限于人体运动监测、个人防护、医疗保健、人机界面以及机械、电气和生理信号的实时和长期监测。[ 3 - 7 ]除了优异的电性能外，可穿戴电子纺织品还需要具有高度柔韧性、舒适性、透气性，并具有有效输送湿气和散发身体热量的能力，为用户提供舒适和便利。[ 8 - 10 ]

在过去的几十年里，电子纺织品在灵活性、透气性和电子功能方面取得了巨大进步。[ 5 , 11 - 13 ]然而，电子纺织品的热和湿度管理特性在很大程度上被忽视了，这些特性不仅与穿着舒适度密切相关，而且与电子设备的信号采集稳定性密切相关。[ 14 ]例如，大多数报道的用于监测人体运动的可穿戴传感器不适合长期佩戴，特别是在户外运动中，[ 15-17 ]，因为缺乏有效释放身体热量和汗水。高皮肤温度和过多出汗不仅会刺激身体或引起炎症[ 12,18,19 ] ，还会导致可穿戴传感器的信号失真。[ 20 - 22 ]

相比之下，调节水分和汗水输送一直是传统纺织行业深入研究的课题。[ 23-25 ]例如，通过操纵织物结构的表面润湿梯度和孔径梯度可以实现提供快速干燥的定向输水纺织品。[ 24 , 25 ]多年来，热调节纺织品也引起了广泛关注。例如，定制的光子结构为纺织纤维提供被动辐射冷却能力。[ 26 - 28 ]根据纺织知识，最近的几项研究开发了具有定向汗水传输特性的电子纺织品。[ 14 , 29 ]此外，最近在柔性和可拉伸薄膜电子产品中也报道了热管理功能。[ 30 - 33 ]然而，这些装置不透气，阻碍汗液释放和皮肤表面的进一步冷却。迄今为止，还没有关于电子纺织品表现出有效的电性能以及热和湿度管理能力的报道。

在此，我们首次报道了一种热湿管理电子纺织品（TMME-textile），其具有令人印象深刻的电气性能，同时确保穿着者的长期舒适度。TMME-textile 通过在合理设计的 Janus 分层梯度蜂窝状复合纳米纤维膜 (NFM) 上图案化导电传感电极，集成了润湿梯度、辐射冷却和高性能传感能力。NFM 呈现出梯度蜂窝状网络结构，显示相对表面上的 Janus 润湿性以及连接表面的垂直微通道。过多的汗液可以通过这些微通道从NFM的疏水侧单向泵送到超亲水侧，从而避免皮肤上出现不希望的粘性。此外，光子结构NFM具有高太阳反射率（98.3%）和中红外（MIR）发射率（89.2%），在1 kW m -2 的太阳强度下，皮肤温度可下降约7.0 ° C。因此，TMME-纺织品显示出相当高的定向水传输和高效的辐射冷却性能，以消除体内多余的热量。此外，TMME-textile 与可穿戴电子集成兼容，并且具有代表性的演示与采用 TMME-textile 作为应变传感器相关。基于TMME纺织品的应变传感器具有高灵敏度（0.1749 kPa -1）和快速响应速率（170 ms），可在户外运动期间实现可靠的运动监测，以进行运动评估和健身管理。这项工作为开发具有卓越热和湿度管理功能的下一代电子纺织品开辟了新的可能性，以实现运动学监测并满足户外运动中的人体舒适度要求。

[4]H. Qiao, S. Sun, and P. Wu, “Non‐equilibrium‐Growing Aesthetic Ionic Skin for Fingertip‐Like Strain‐Undisturbed Tactile Sensation and Texture Recognition,” Advanced Materials, vol. 35, no. 21, p. 2300593, May 2023, doi: 10.1002/adma.202300593.

基于皮肤的触觉感知是人类的基本生存技能之一，依赖于将时空压力刺激转化为生物离子信号的机械传导过程。[ 1 ]皮肤配备有四种类型的慢速自适应（SA）和快速自适应（FA）机械感受器，可以同时感知不同频率的静态压力和动态振动变形。[ 2 ]特别是，指尖是最敏感的皮肤区域，具有浮雕指纹图案，不仅可以确保对物体的稳定且形状自适应的抓握，还可以通过表面摩擦放大振动触觉信号来辨别精细纹理。[ 3 , 4 ]因此，模仿指尖的顺应性、离子传导和多模态触觉能力的人工触觉系统将在新兴的软机器人、人机交互和假肢植入中发挥重要作用。[ 5 - 8 ]

在过去的几年里，出现了一种由移动离子和弹性体基质组成的可拉伸离子皮肤作为超软触觉传感器的新概念。[ 6 , 9 , 10 ]与人类的触觉感知类似，离子皮肤通过压阻、[ 11 , 12 ]压电、[ 13 , 14 ]电容、[ 15 - 17 ]电势、[ 15 - 17 ]离子迁移和重新分布来检测压力变化。18 , 19 ]和摩擦电[ 20-22 ]传感机制。这些具有内在结构顺应性的离子皮肤克服了传统电子皮肤经常遇到的不利机械失配，从而能够与各种目标物体进行自适应物理交互。然而，离子皮肤仍然存在两个关键限制，这在很大程度上阻碍了其先进触觉传感应用的压力传感精度。一是当离子皮肤被拉伸时，压力传感性能会发生不必要的改变，这使得不同应变下压力的定量测量变得非常复杂。[ 15,18,23 ]不幸的是，这个问题是几乎所有现有离子表层所固有的，因为拉伸应变引起的正常压缩显着改变了材料的电导率和可变形性。另一个是缺乏类似指尖的精细纹理识别能力，这阻碍了离子皮肤精确获取物体的表面信息。与具有硬脊图案的电子皮肤不同，[ 4,24,25 ]当前具有自皱软脊或附加脊弹性体层的离子皮肤在粗糙表面上扫描时不会产生有效的振动。[ 26 ]不幸的是，这也是由离子皮肤的固有结构顺应性引起的，离子皮肤上的软脊很容易变形并适应触摸表面，但很大程度上抑制了与纹理相关的振动触觉信息。[ 27 ]此外，在拉伸时，软脊变平甚至消失，导致压力传感性能发生更显着的变化。[ 28 , 29 ]目前，据我们所知，以前的离子皮肤还没有能够将结构顺应性、应变不受干扰的压力敏感性和精细纹理识别等看似矛盾的特性结合起来，以实现先进的触觉传感。

指尖可以通过形成模量对比指纹结构来克服这一矛盾，该结构的特征是坚硬的表皮脊与下方柔软的真皮互锁。这种内源性周期性模式对于每个人来说都是独一无二的，并且不能被浅表皮肤损伤所破坏，人们认为浅表皮肤损伤是由生化图灵效应的非平衡反应扩散过程产生的。[ 30 ]如图 1a所示，皮肤外层上的镜像乳头状脊和连接层中的中间脊充当许多小的机械放大杆，用于将振动触觉变形传递到这些脊尖端的机械感受器。[ 31 ]此外，刚性脊在皮肤拉伸时不会显着变形，从而导致与目标物体的接触面积几乎不变，这就是指尖不受应变影响的触觉传感性能的根源。因此，通过创建指尖状的硬软混合结构，赋予触觉离子皮肤同时具有应变不受干扰的压力敏感性和识别纹理的能力是可行的。

[5]Z. Wang, X. Xu, R. Tan, S. Zhang, K. Zhang, and J. Hu, “Hierarchically Structured Hydrogel Composites with Ultra‐High Conductivity for Soft Electronics,” Adv Funct Materials, p. 2312667, Dec. 2023, doi: 10.1002/adfm.202312667.

导电水凝胶具有优异的导电性、拉伸性、水稳定性和生物相容性，可作为推进生物电子接口、[ 1 ]可植入设备、[ 2 ]软传感器、[ 3 ]柔性电极、[ 4 ]和水下设备的关键材料。[ 5 ]然而，传统的导电水凝胶材料由于其交联松散、固含量低和结构均匀而表现出较差的机械性能。这限制了它们需要长使用寿命、高负载和大变形的实际应用。[ 6 ]此外，它们的固有离子电导率（10 -5 –10 -1 S cm -1）远低于金属电导率（通常低 6-9 个数量级），[ 7 ]使得不可能实现长期稳定、高质量的电气通信。因此，同时实现高导电性和拉伸性仍然具有挑战性，引起了相当多的关注。

最近，在改善水凝胶的机械和电性能方面取得了进展。在机械性能方面，水凝胶通过引入多种能量耗散机制来增强和增韧，例如双网络结构、[ 8 ]双交联、[ 9 ]自组装、[ 10 ]诱导疏水聚集、[ 11 ]和纳米晶域的创建。[ 12 ]此外，采用冷冻铸造、[ 13 ]机械拉伸、[ 14 ]和合成生成各向异性结构，[ 15 ]导致水凝胶实现超高拉伸性，甚至超过2000%。[ 8 ]然而，它们的固有离子电导率是有限的。重要的是，各种导电填料已被纳入水凝胶基质中以提高电导率。这些填料包括碳基导电材料（碳纳米管或石墨烯）、[ 1 , 16 ]金属材料（纳米线、微米/纳米颗粒）、[ 5 , 17 ]和导电聚合物材料（聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）或聚苯胺）。[ 2 , 18 ]因此，水凝胶可以利用填料的这些优异的电导率来实现高电导率。然而，这种对高电导率的追求需要高填料浓度，导致拉伸性出现不必要的妥协，通常低于 50%。导电填料浓度升高会阻碍水凝胶交联和结构形成，从而影响其机械性能。因此，在实现高导电性和保持拉伸性之间存在权衡。

乔延等人。尝试通过引入双网络结构来增强水凝胶的拉伸性，产生的水凝胶具有令人印象深刻的 610% 的拉伸性。然而，电导率仍然较低，为9.34S cm -1。[ 19 ]因此，为了提高水凝胶电导率，利用导电聚合物PEDOT:PSS，实现了670 S cm -1的超高电导率；然而，最大应变仅为20%。[ 2 ]最近，人们做出了许多努力，通过溶剂交换或部分脱水等后处理技术来规避高导电性和拉伸性之间的冲突。然而，这些方法会降低其他性能，例如含水量、稳定性和韧性。马吉迪等人。通过实施部分脱水过程，制备了具有双网络结构的银（Ag）导电水凝胶复合材料，成功实现了高电导率（374 S cm -1）和高拉伸性（250％）。然而，这些进步是以牺牲含水量、韧性和水稳定性为代价的。此外，引入高浓度的有毒交联剂以促进水凝胶交联。[ 5 ]因此，使用简单且绿色的方法在水凝胶中同时实现高导电性和拉伸性仍然是一个重大挑战。

在这项研究中，我们通过结合冷冻和盐析处理，开发了一种具有多长度尺度分级结构的导电银纳米线-聚（乙烯醇）（AgNWs-PVA）水凝胶复合材料。水凝胶复合材料是各向异性的，由嵌入互连纳米纤维网络的微米级蜂窝状孔壁组成。值得注意的是，这些水凝胶复合材料表现出高电导率（1739 S cm -1）、大拉伸性（480%）和高含水量（87%）。高导电性和拉伸性可归因于冷冻和盐析处理的协同效应。这种组合方法诱导连续相分离，从而建立不同长度尺度的分层水凝胶结构。由此产生的分层结构引入了多种强化和增韧机制，显着提高了拉伸性。同时，随着水凝胶结构在连续相分离过程中的演变，AgNW 的局部浓度持续增加。这个过程引起渗透，从而产生更多的导电路径。因此，使用低浓度的银纳米线就实现了超高的电导率。此外，水凝胶复合材料表现出优异的水稳定性，即使在水中浸泡四个月后仍能保持其电性能。此外，这些水凝胶复合材料表现出显着的体外和体内生物相容性。它们的高导电性、大拉伸性、水环境中持续的电稳定性以及生物相容性使它们成为水下、生物电子和可穿戴设备技术各种应用的有前途的材料。我们成功地将这些复合材料集成到柔性仿生鲨鱼的表面电路、水下电机连接电路和商用心电图 (ECG) 仪的功能电极中，验证了它们的潜在应用。

[6]J. Lv et al., “Printed sustainable elastomeric conductor for soft electronics,” Nat Commun, vol. 14, no. 1, p. 7132, Nov. 2023, doi: 10.1038/s41467-023-42838-7.

在机械应力下具有稳定性能的可拉伸设备在可穿戴健康监测、人机界面和柔性机器人方面显示出巨大的潜力。在各种制造技术中，可拉伸导体的打印因其相对较低的成本、可扩展的制造、更低的成本（增材制造）和多功能的材料选择而引起了广泛的关注。纳米/微导电填料与弹性粘合剂的结合因其高导电性和稳定性而被广泛研究用于可印刷油墨的配方。打印的可拉伸复合材料的传导机制依赖于导电填料的嵌入渗透，弹性粘合剂填充导电网络的间隙。印刷可拉伸油墨的粘合剂可以是硅橡胶、氟橡胶、苯乙烯弹性体和聚氨酯基弹性体。

可持续印刷电子产品广泛使用的一个严重障碍是机械性能与电气性能之间的不匹配。聚合物粘结剂的机械性能以及粘结剂与导电填料之间的相互作用决定了导体的拉伸性和电气性能。在机械变形下，导电填料相互滑动，而弹性粘结剂则抵抗导体的开裂并将导电填料固定在一起。然而，目前对印刷可持续可拉伸电子产品的试验并不令人满意。在印刷油墨的配方中，弹性粘合剂在体积比中占很大比，但它们的不可延展性影响了它们在柔软和可拉伸电子产品中的应用。天然聚合物基复合水凝胶可以拉伸，但由于水的体积比例较高，因此与干电极相比，电导率较差。因此，需要开发在循环拉伸后，具有高导电性、可拉伸性和低电滞后的可持续可打印导体。

该工作报告了一种可持续的植物油基聚氨酯印刷导体（VegPU/Ag）。通过银片和多孔聚氨酯粘合剂之间的内部烧结，该印刷导体在高达 100% 的循环拉伸测试中展现了12833 S/cm的高电导率、350% 的拉伸性以及较低的电滞性。多孔粘结剂的存在减少甚至阻止机械变形过程中裂纹的传播；烧结反应削弱了电子转移的势垒。因此，该印刷制备的可持续导体可以同时具有高机械形变耐久性和高导电性。

[7]T. Rafeedi, A. Abdal, B. Polat, K. A. Hutcheson, E. H. Shinn, and D. J. Lipomi, “Wearable, epidermal devices for assessment of swallowing function,” npj Flex Electron, vol. 7, no. 1, p. 52, Dec. 2023, doi: 10.1038/s41528-023-00286-9.

起皱是一种无序变形，可在可折叠物体中产生脊和面的随机网络，可用于将大片材快速有效地包装成微型三维体积1 , 2 , 3 , 4 , 5。在自然界中，蝴蝶的翅膀在发育过程中是这样包装的，蛹紧紧地握住皱巴巴的翅膀，直到羽化。特别是，蛹充满生物液并保持翅膀灵活且柔软，而羽化后干燥的翅膀则变得僵硬且扁平，这有利于飞行6,7,8。

控制软和刚性几何形状之间的可重复转变的能力可用于一系列机械、电子和生物医学工程应用 9、10、11、12、13、14 。这种能力可以用于例如折纸电子器件和可折叠显示器中以产生高封装比15、16、17、18 。在这些应用中，快速、简单地控制材料的刚度和形状，以及变形和扁平几何形状中的稳定电功能至关重要。然而，在过度或重复的形状变形过程中，形状变化和塑性变形的自由度相对较低是一个限制，这可能导致固定的变形形状和明显的折痕线。由此产生的永久机械变形还需要仔细放置电极和电子元件，以减少潜在的电子故障。软弹性体材料（例如导电聚合物、水凝胶、聚二甲基硅氧烷和 Eco-flex）可用于克服这些限制19 , 20 , 21 , 22 , 23，但相对较低的耐用性和/或高摩擦力不适用于以下应用：需要平滑的触摸感应能力和可靠的操作。

在本文中，我们报告了受蝴蝶启发的电子产品的开发，该电子产品可以通过可调节的刚度来压皱和平滑。该系统基于银纳米线、形状记忆聚合物（SMP）和弹性体的集成，可以反复从塑性变形到弹性变形。因此，其机械性能可以在剧烈压皱后恢复。银纳米线嵌入SMP和弹性体之间，并通过焦耳热驱动SMP的相变。纳米线还充当机械传感元件。刚度可在 1,300 MPa 至 2 MPa 范围内调节，从而使片状结构能够被揉皱成小胶囊。弹性体可保护平台在过度折叠过程中免受损坏，过度折叠可能会导致 SMP 表面出现折痕。我们通过创建一个显示器（尺寸为 7 厘米 x 7 厘米）来说明该方法的功能，该显示器可以揉皱成一个小型便携式胶囊（体积为 1 毫升）。打开包装后，显示器可用作光滑平坦的触摸面板，其中集成的电容式传感器允许在其表面上书写图形。

[8]F. Wang et al., “3D Printed Implantable Hydrogel Bioelectronics for Electrophysiological Monitoring and Electrical Modulation,” Adv Funct Materials, p. 2314471, Dec. 2023, doi: 10.1002/adfm.202314471.

对于生物电子器件而言，在生理环境中实现类组织的机械顺应性并保持高导电性对于电子材料在体内长期植入和发挥作用期间与生物组织和器官的界面至关重要。[ 1 - 6 ]虽然由弹性体组成的软电极可以设计成具有 10 3 − 10 5 kPa的杨氏模量，但其刚性仍然比组织的刚性高（约 10 2 kPa），[ 7 - 12 ]更不用说湿纸巾和干电极之间的本质区别。[ 4 , 13 ]由导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)制成的水凝胶在化学成分、机械柔顺性、电化学稳定性和生物相容性方面与生物组织非常相似，已成为生物电子学领域最有前途的材料系统之一。[ 1 , 14 - 19 ]这种导电聚合物水凝胶对于最大限度地减少组织电子界面的生物力学和电化学失配具有重要意义，这对于医疗保健监测、诊断和生物医学治疗诊断学具有广泛的意义。[ 1,4,15,18 ]目前的制造策略，例如喷墨印刷，[ 20,21 ]旋涂，[ 22,23 ]丝网印刷，[ 24,25 ]电化学图案化，[ 26,27 ] ]或光刻，[ 28 ]已报道基于 PEDOT:PSS 的电子产品，如表S1（支持信息）中所总结。例如，电化学和旋涂制造允许沉积具有定制厚度的 2D PEDOT:PSS 涂层。最近，多光子光刻技术展示了其制造基于 PEDOT:PSS 的生物电子学的能力，用于葡萄糖传感，具有高灵敏度、特异性和可重复性。[ 28 ]尽管取得了这些巨大进步，但由于其固有的加工性能较差，制造具有高分辨率几何复杂结构的基于 PEDOT:PSS 的生物电子学仍然是一个巨大的挑战，[ 5 , 29-31 ]从而阻碍了它们在先进可植入生物电子学中的快速创新和广泛应用。此外，由于水凝胶层与金属电极、或水凝胶层与组织之间的相互作用较弱，基于PEDOT:PSS的水凝胶生物电子学通常存在本质上脆弱的界面，导致生物电子学的错位以及信号记录和刺激的失败。疤痕形成和炎症反应可能进一步加剧。[ 3 , 4 , 32 ]最近，Zhao 及其同事通过设计双连续拓扑相，报道了由亲水性聚氨酯和 PEDOT:PSS 组成的坚韧导电水凝胶材料 3D 打印水凝胶生物电子学。[ 33 ]然而，这种双连续相工程对于特定条件（例如材料体系、化学成分、溶剂和温度）来说是极其独特的，[ 34 ]这通常不适用于大多数水凝胶材料体系。

[9]P. Fang et al., “A Multi‐Module Sensing and Bi‐Directional HMI Integrating Interaction, Recognition, and Feedback for Intelligent Robots,” Adv Funct Materials, p. 2310254, Dec. 2023, doi: 10.1002/adfm.202310254.

在本文中，我们提出了一种双向人机界面（BD-HMI），使用具有多模态传感能力的淀粉基水凝胶传感器，结合振动器嵌入式外骨骼系统，实现人机双向交互远程操作。如图 1a所示，BD-HMI可以捕获人体手指弯曲信号和手臂关节的双向旋转运动信号。可以实现机器人遥控操作时物体分拣的目标识别，并通过手套上的振动器向用户发起相应的触觉反馈。手臂部分由一系列单电极摩擦电传感器组成，这些传感器与 3D 打印的外骨骼集成在一起，用于捕捉人体手臂关节的运动。关节运动的角度由基于旋转齿轮的摩擦电传感器检测。关节运动方向由电极开关决定。手部还包括集成在 3D 打印手套内的应变传感器，可读取手指运动的角度。触觉反馈部分包括集成到从属机械手中的一系列压力传感器和嵌入 3D 打印手套中的振动器。一般来说，BD-HMI可以实现机器人远程操作、评估过程以及带有振动和视觉反馈的物体识别。这为各种应用提供了具有更高完整性的简化解决方案，例如医疗机器人、工厂分拣和极端环境中的远程操作。

[10]J. Kim et al., “A Reversible, Versatile Skin‐Attached Haptic Interface Platform with Bioinspired Interconnection Architectures Capable of Resisting Sweat and Vibration,” Adv Funct Materials, p. 2311167, Dec. 2023, doi: 10.1002/adfm.202311167.

为了重复或稳定地附着在湿润的皮肤或器官上，最近强调了使用受生物启发的干粘合剂的多种智能生物电子接口技术。[ 2 , 8 ]对自然生物生物表面的粘附特性进行广泛研究（例如，受壁虎启发的刚毛结构，[ 9 ]甲虫状蘑菇垫，[ 2 , 10 ]和受章鱼启发的吸力结构[ 11 ]）揭示了引发物理相互作用的独特多尺度架构。特别是，诸如树蛙之类的两栖动物，它们既生活在干燥的环境中，又生活在潮湿的环境中，考虑到它们在不规则的粗糙、干燥和/或潮湿的表面上稳定固定和运动的不寻常的能力，引起了人们的兴趣。[ 12 ]人们已经进行了许多尝试来模仿青蛙垫的独特表面几何形状，以开发干/湿条件下的人造粘合剂，其基础机制是增强粗糙表面的适应性配置和排水以实现湿粘合。[ 13 ]然而，之前对类青蛙人造粘合剂的尝试表明，它们对身体运动或触觉反馈等外部因素引起的振动干扰的耐久性尚不完全清楚。同时，在腹足动物的足部中可以观察到相互连接的微观结构，作为能量耗散基质，称为平滑肌细胞和胶原纤维。[ 14 ]先前的研究表明，具有受蜗牛启发的互连微观结构的能量耗散矩阵也可以承受振动阻力以实现可逆性。[ 15 ]然而，先前报道的受蜗牛启发的结构的平坦表面在潮湿条件下很容易脱落，这限制了其在粗糙和出汗的皮肤上的长期使用。[ 13 ]因此，对于触觉界面的实际应用，需要新的策略来优化粘合剂的结构设计，使其具有在粗糙表面上的可逆附着以及抗振性和排汗能力。

在这项研究中，我们提出了一种耐振动和耐汗的皮肤粘合贴片平台，其具有仿生混合架构，由可排水的六边形阵列和嵌入式互连微结构组成。在这种方法中，混合架构在多功能、可重复使用、可排水和抗振动的粘合皮肤贴片方面具有优势，这些贴片可以与薄而灵活的贴片集成，作为触觉设备和人体皮肤之间的界面，且残留量最少。为了更好地理解耗能和可排水微通道增强的粘附力，我们将其作为基于粘附能、弹性能和耗散能的简单理论进行分析，并根据几何参数进行有限元法模拟。，我们成功地演示了通过附着在各种皮肤表面（手指、手臂和身体），通过人体运动在 VR 和真实空间中的虚拟交互（例如触摸、运球和被球击中）生成的振动触觉反馈的可靠应用。腿）。混合粘合剂架构可以通过应用轻质、可逆且能够抵抗汗水和振动的粘合剂贴片作为皮肤界面，为集成元宇宙平台的开发建立创新策略。

[11]Y. Xu et al., “A soft magnetoelectric finger for robots’ multidirectional tactile perception in non-visual recognition environments,” npj Flex Electron, vol. 8, no. 1, p. 2, Jan. 2024, doi: 10.1038/s41528-023-00289-6.

具有多向触觉感知的机器人手指对于机器人探索复杂的未知空间，特别是在不可能实现可视化的环境中具有重要意义。不幸的是，大多数现有的机器人手指触觉传感器不能检测多向力，这极大地限制了它们在复杂环境中操纵的进一步发展潜力。

近日，华中科技大学苏彬/北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey团队展示了一种柔性磁电手指(SMF)，它可以实现自产生信号和多向触觉感应。SMF由两部分组成:一个“手指”，上面覆盖着一个皮肤状的柔性护套，其中包含五个液态金属(LM)线圈;一个“指骨”，其中包含一个磁铁。由于外力作用使LM线圈的磁通量发生变化，产生并实时采集不同的感应电压，这可以用Maxwell的数值模拟来解释。通过对5个LM线圈产生的信号的分析，SMF可以检测不同方向的力，并区分出6种不同杨氏模量的常见物体，准确率为97.46%。这些能力使SMF适用于复杂的未知空间探索任务，正如黑箱探索所证明的那样。SMF可以为未来机器人的自生信号和多向触觉感知的发展提供支持

[12]X. Gao, J. Li, J. Li, M. Zhang, and J. Xu, “Pain-free oral delivery of biologic drugs using intestinal peristalsis–actuated microneedle robots,” Sci. Adv., vol. 10, no. 1, p. eadj7067, Jan. 2024, doi: 10.1126/sciadv.adj7067.

纵观人类药物治疗的历史，口服给药因其操作要求低、患者依从性高而一直是首选的给药途径。然而，大多数生物药物（肽、蛋白质、核酸和抗体）一旦暴露在严酷的胃肠道生化微环境中就很容易失活，并且由于胃肠道的保守吸收选择性，药物无法通过粘液或细胞层转运。因此，生物制剂药物的口服可用性有限（约为 1%），必须进行肠外注射，这不可避免地会引起疼痛和皮肤感染，往往导致患者依从性差，尤其是慢性病患者不得不经常进行治疗性注射。虽然目前的口服给药技术，如粘液粘附贴片、常驻水凝胶、微装置和基于颗粒的平台等已在公开文献中被提出，以提高生物药物的局部浓度并延长释放期，但其生理障碍仍然存在，临床疗效仍有待验证。如何克服生物药物口服给药的困境并提高患者的依从性仍然是一个巨大的挑战。

受到刺豚（porcupinefish）自我膨胀和展开刺进行防御的能力的启发，来自清华大学的张明君和徐静团队开发了一种肠道微针机器人，其设计目的是吸收肠液进行快速膨胀，并将装载药物的微针注入无知觉的肠壁进行给药。达到平衡体积后，微针机器人会利用有节奏的蠕动收缩来穿透粘膜。然后，机器人的倒钩微针可在蠕动松弛时脱离本体，保留在粘膜中以释放药物。由 14 只小猪参与的大量体内实验证实了肠道蠕动对微型机器人驱动的有效性，并证明了与皮下注射相当的胰岛素输送效果。可摄取的蠕动微针机器人可能会改变目前主要依赖肠外注射的生物药物口服给药方式

[13]T. Li et al., “A skin-conformal and breathable humidity sensor for emotional mode recognition and non-contact human-machine interface,” npj Flex Electron, vol. 8, no. 1, p. 3, Jan. 2024, doi: 10.1038/s41528-023-00290-z.

湿度传感器作为一种基础型可穿戴电子器件，能够有效监测环境或人体皮肤表面的湿度变化。采用非接触式传感模式运行的湿度传感器避免了接触式传感器常见的机械磨损和交叉感染等问题，在医疗监测、人机界面（HMI）、情绪分析、体育活动和安全生产等众多领域展现出巨大的应用潜力。现阶段的湿度传感器普遍存在佩戴舒适度不足和皮肤刺激等问题，限制了其长期使用性。因此，开发具有超薄、高透气性、快速湿度响应和高灵敏度特性的湿度传感器，对于实现连续健康监测至关重要。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海大学张建华教授、赵婷婷副教授及其研究团队开发出一种皮肤适形透气湿度传感器，该传感器基于MXenes复合材料和具有图案化电极的静电纺丝弹性体纳米纤维制备而成，不仅展现出优异的透气性（0.078 g cm⁻²d⁻¹）、高灵敏度（S = 704）和快速响应/恢复时间（0.9 s/0.9 s），还具备出色的皮肤适应性和生物相容性。此外，该传感器还能实现运动状态和情绪模式识别。这项研究为开发先进的非接触式人机界面开辟了新的路径。

[14]A. Tashakori et al., “Capturing complex hand movements and object interactions using machine learning-powered stretchable smart textile gloves,” Nat Mach Intell, Jan. 2024, doi: 10.1038/s42256-023-00780-9.

实时跟踪手部动作1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10在人机交互、电子游戏、虚拟世界和增强现实4 , 11 , 12、康复中具有显着的应用4、13、14、15、16，运动训练、机器人和远程手术应用4、11 。_ _ 在机器学习 (ML) 和柔性电子器件1、2、3、4、5、12、17最新进展的推动下，使用计算机视觉 (CV) 4、18、19进行跟踪或手势识别已取得重大进展。20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28和可穿戴技术2 , 3 , 4 , 5 , 12 , 13 , 14 , 17 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36、37、38。_ _ _ _ 带有标记的固定且昂贵的动作捕捉摄像头系统通常被用作详细和铰接式手部和手指跟踪的黄金标准。使用附接至用户的头戴式耳机6、15、27或放置在特定位置15、28的一个或多个相机的基于CV的解决方案被证明是成本较低的消费者解决方案。动作捕捉和基于 CV 的技术在空间上都受限于摄像机的视野，并且由于物体、手或其他身体部位的遮挡、照明不佳和背景噪声而面临重大挑战4 , 11 , 15。当前的可穿戴技术主要用于手套形式的手势识别1 , 3 ,5、12、39，腕带25 或臂套2、17 。 _ _ _ 研究人员报告了不同传感器的集成，包括表面肌电电极2 , 17，压力传感器3 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 40，惯性测量单元（IMU） 4，磁传感器4和光学传感器28，41 . 然而，这些可穿戴设备中的大多数仅用于以有限的精度检测特定手势，并且没有解决与设备1、4的可靠性、准确性和可清洗性相关的挑战。当前的解决方案对于将传感器直接放置在用户的手上有严格的要求，并且没有解决传感器的电气和机械特性的变化以及适合用户1、2、4、17 。除了缺乏清洗或消毒方法之外，这些因素导致这些解决方案1、4、42的实际可用性和准确性有限。

在本文中，我们报告了使用嵌入可拉伸螺旋传感器纱线 (HSY)、IMU 和可拉伸互连件的可拉伸、无线和可清洗的智能纺织手套，对所有手指和腕关节进行动态、准确的手部运动跟踪。使用我们的多阶段 ML 算法，我们报告参与者内和参与者间交叉验证的平均关节角度估计均方根误差 (rmse) 分别为 1.21° 和 1.45°，远远超出已发布的可穿戴设备的准确性设备和CV系统1、2、3、4、5。_ _ _ _ _ 我们的结果表明，所提出的智能手套和机器学习算法提供了一种用于学习灵巧的手和手指运动的工具，该工具超越了传统的手势识别，并且在准确性方面可与昂贵的动作捕捉系统竞争，且不受视野限制，设置时间长。例如，相机校准时间、标记设置时间）以及对手动跟踪应用中非常普遍的遮挡和图像噪声的敏感性。得益于 HSY 响应指尖拉伸和压力的高动态范围和可靠性以及我们的 ML 算法，我们展示了在与物体交互过程中对复杂的手部和手指运动的可靠跟踪，这在实际应用中并不实用。由于物体和手指遮挡而导致的相机系统。我们还演示了一种数据增强技术，在传感器的性能及其对参与者的适应性存在较大变化的情况下，该技术将结果的稳健性提高了两倍。基于这些结果，我们展示了复杂的潜在应用，例如手和手指运动的动态跟踪、在模拟纸键盘上准确（97.80％）打字、高精度动态手势识别（内部和内部分别为 94.05％和 97.31％）参与者交叉验证准确度分别为 50 个手势）、静态手势识别（参与者间和参与者内部交叉验证准确度分别为 48 个手势，分别为 94.60% 和 97.81%）以及抓握模式的对象识别（分别为 90.20% 和 90.20%）对于 34 个对象，参与者间和参与者内部交叉验证准确度分别为 95.02%）。表1总结了我们系统与其他已发表作品相比的整体性能参数。我们相信，我们的可拉伸智能纺织手套和机器学习算法可以为人机交互、远程健康中的运动和治疗评估以及动画和虚拟宇宙中的应用开辟新途径，以学习灵巧的人手功能以及与物体和表面的交互。