2023-11 柔性传感器领域的进展

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[1]X. Xu et al., “Stretchable Electronic Facial Masks for Skin Electroporation,” Adv Funct Materials, p. 2311144, Nov. 2023, doi: 10.1002/adfm.202311144.

在本文中，我们介绍了一种用于皮肤电穿孔的可拉伸电子面膜（SEFM），它解决了上述六个挑战，并表现出可重复使用、防水、低成本和便携性等特点。我们主要在两个关键领域进行创新。首先，我们对导电油墨进行了研磨和掺杂改性，通过加入硅油来增强其与有机硅的粘附性，并通过添加石墨烯来提高导电油墨电极的导电性。我们还通过机械结构设计确保了导电油墨电极的拉伸稳定性。其次，我们用炭黑掺杂改性高温硫化硅树脂，以解决由于导电油墨膨胀而导致封装过程中整体电阻增加的问题。这些设计原理可以扩展到其他可拉伸电子器件的制造。最后，我们通过动物实验对SEFM进行了实验验证，证实了其加速透明质酸钠和其他药物透皮给药的功效。通过细胞毒性试验和皮肤组织分析也证实了安全性。此外，通过人体实验验证了烟酰胺递送的增加。研究结果表明，SEFM在面部保健应用中具有巨大的皮肤电穿孔潜力。

[2]Y. Lai, S. Ginnaram, S. Lin, F. Hsu, T. Lu, and M. Lu, “Breathable and Stretchable Multifunctional Triboelectric Liquid‐Metal E‐Skin for Recovering Electromagnetic Pollution, Extracting Biomechanical Energy, and as Whole‐Body Epidermal Self‐Powered Sensors,” Adv Funct Materials, p. 2312443, Nov. 2023, doi: 10.1002/adfm.202312443.

在这项研究中，报道了一种具有透气性（透湿性：687 g m−2 day−1）和可拉伸性（高达250%应变）的混合电磁摩擦电能量采集液态金属纤维e-skin（以下简称LM-e-skin），用于皮肤能量和全身自供电传感应用。据我们所知，这是首次证明可透气的皮肤上设备可以将周围环境中的EM污染收集成可用于电子皮肤的可用电力。这也是可以同时提取环境EM污染和身体运动能量的表皮纤维装置的第一个例子。表S1（支持信息）总结了本研究中LM-e-skin与典型纳米/微纤维摩擦电能采集装置的成果比较。它由两层电纺聚氨酯（PU）微纤维膜组成，中间夹着一层自组织的网状褶皱液体共晶镓铟（EGaIn）垫。为了捕获环境EM污染，使用液体EGaIn作为感应通电的介质。同时，即使在极端应变或重复拉伸（在100%应变下>1000次）后，LM-e-skin也可以使用摩擦电技术获得生物力学能量。对从两种模式转换的电能进行了表征，并将其应用于电力电子设备。此外，由身体运动产生的电信号使自供电传感器能够监测全身生物力学信息，包括细微的运动（脉冲、呼吸、表情和说话）和剧烈运动（肢体运动和关节旋转）。最后，通过与信号处理系统合作，LM-e-skins被演示为用于各种系统级用途的皮肤上的人-设备接口。LM-e皮肤具有所需的属性和前所未有的收集EM和身体运动能量的能力，是及时的，可以满足电子皮肤应用的巨大新兴领域，从表皮、可穿戴设备、植入式设备到假肢。

[3]M. Stevens, G. Yun, and T. Hasan, “Porous Conductive Hybrid Composite with Superior Pressure Sensitivity and Dynamic Range,” Adv Funct Materials, p. 2309347, Nov. 2023, doi: 10.1002/adfm.202309347.

在此，我们报道了一种新型多孔导电复合材料，该复合材料由掺入的镍（Ni）微粒和共晶镓铟（EGaIn）液态金属（LM）液滴组成，作为聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中的导电填料，其中使用1，2-丙二醇作为成孔剂产生孔。通过优化成分和加工方法，该复合材料在高压力灵敏度和宽测量范围之间实现了平衡，在宽压力范围下显示出显著提高的电导率。与我们之前创建的无孔Ni LM PDMS复合材料相比，这种优化的复合材料表现出非常高的压力敏感性，因为它在1MPa的压力下表现出七个数量级的电导率增长，以及在高达8.9MPa的大压力范围内表现出良好的线性响应。[32]通过对复合材料在压缩下的行为进行数值模拟，我们阐明了驱动其异常灵敏度的原理。最后，我们开发了一种基于这种多孔复合材料的概念验证压力传感器阵列。该传感阵列在长时间循环加载后保持稳定和优异的传感性能，突出了其在压力传感应用中的潜力。

[4]Y. Ma et al., “An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications,” Adv Funct Materials, p. 2309792, Nov. 2023, doi: 10.1002/adfm.202309792.

在这里，受人类皮肤复杂结构的启发，该结构由精心设计的联锁真皮表皮和梯度弹性模量结构组成，[11]我们首次提出了不对称联锁梯度弹性模量（AIGM）结构的概念和设计策略，以制造柔性压力传感器。与之前报道的对称互锁结构不同，我们基于圆顶的不对称互锁结构包含更多的空隙，在整个压缩过程中提供更多的可移除空间，从而提高了整体检测范围。此外，梯度弹性模量的概念与类似于人体皮肤的互锁电极复杂地结合在一起，以进一步提高检测范围并确保传感可靠性。因此，这种基于AIGM的传感器最大限度地扩大了变形空间，并大大放大了外部刺激，从而同时表现出9.89 kPa−1的高灵敏度、1.84 Pa–530 kPa的宽传感范围和0.7 mm的小厚度，这是从未报道过的。当应用于鼠标上作为演示时，该智能平台可以实时检测鼠标使用过程中不同按钮的压力信息，并根据人们的鼠标使用习惯调整不同按钮的柔软度，使人们能够以最舒适、最自然的压力握住这款鼠标。该平台还与皮肤可以根据大脑皮层提供的信息提供反馈的系统相吻合，我们认为这是下一代医疗保健和人机交互的关键方向。

[5]Self-Powered Integrated Tactile Sensing System Based on Ultrastretchable, Self-Healing and 3D Printable Ionic Conductive Hydrogel

在这项工作中，从先前对3D可打印水凝胶的研究开始，[40]开发了一种基于由聚乙烯醇（PVA）、交联丙烯酸-聚乙二醇二丙烯酸酯（AAc-PEGDA）和1M氯化钠（NaCl）作为导电剂组成的半互穿网络的光固化离子导电水凝胶（PVA/AAc/NaCl水凝胶）。这具有最佳的机械特性和自修复能力，此外还提高了对拉伸和压缩变形的灵敏度和电响应。利用DLP技术的水凝胶3D可打印性来获得形状复杂、无法用标准铸造方法制造的应变传感器，达到了检测极限低于1Pa的卓越压力灵敏度。此外，使用相同的水凝胶作为电解质来制造基于激光诱导石墨烯的超级电容器，其被集成到3D打印的传感器中以实现完全集成的自供电应变传感器系统。事实上，随着可穿戴传感器的发展，由于超级电容器的高功率密度、长寿命和小充电/放电时间，对便携式、轻质储能设备的需求导致了人们对超级电容器越来越感兴趣。[41]由于具有良好离子导电性的水凝胶是固态超级电容器电解质的一种有吸引力的解决方案，[42，43]它们可用于制造触觉传感器和固态超级电容，以开发自供电集成智能系统。[44，45]这些属性的结合表明，PVA/AAc/NaCl水凝胶可以用于构建多功能自供电传感器，避免使用笨重的电池。此外，利用其3D打印能力，可以生产适合不同应用的特定形状和适应性的设备，包括可穿戴设备、人机界面和软机器人。

[6]S. Ma et al., “Highly Stretchable and Conductive MXene‐Encapsulated Liquid Metal Hydrogels for Bioinspired Self‐Sensing Soft Actuators,” Adv Funct Materials, p. 2309899, Nov. 2023, doi: 10.1002/adfm.202309899.

在这里，我们报道了一种基于高导电和可拉伸水凝胶的自感软致动器的设计和制造，该水凝胶具有复杂的形状可编程致动和对其运动状态的实时感测。通过原位共聚氨基官能化MXene包封的LM纳米液滴构建了高拉伸性导电水凝胶(lm@a-mxene)具有纳米结构和热响应性PNIPAM水凝胶。活性纳米凝胶（ANG）作为纳米交联剂可以增强纳米结构PNIPAm水凝胶基质的机械柔韧性，同时lm@a-mxene用作导电填料、机械增强剂和光热剂。与传统的PNIPAm水凝胶相比，所得水凝胶表现出高导电性、优异的应变敏感性[应变系数（GF）为8.92]、宽的工作应变范围（≈610%应变）、高稳定性、大体积收缩和快速响应。引入γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）-功能化MXene纳米片（A-MXene）将LM纳米液滴封装在水凝胶系统中。与原始LM纳米液滴的低胶体稳定性以及LM和聚合物链之间不存在连接相反，A-MXene纳米片充当LM纳米液液滴的保护壳，以增强其兼容性和稳定性。这些允许lm@a-mxene以有效地充当交联剂并通过氢键与水凝胶建立相互作用，从而获得具有优异机械性能和韧性的高拉伸水凝胶。此外，大尺寸的A-MXene纳米片对LM纳米液滴产生了钉扎和桥接效应，可以建立有效的导电网络来提高水凝胶的导电性。有趣的是，我们发现在重力的影响下，LM纳米液滴沿着平行于重力的方向表现出梯度分布，从而在水凝胶网络内产生各向异性。由此产生的自感知水凝胶致动器可以通过精确调节的梯度分布来将光驱动的形状转换为不同的几何形状，如U、6、S和Ωlm@a-mxene在水凝胶内，随后进行掩模辅助聚合。作为概念验证去约束，我们设计了一种智能软夹持器，它可以执行特定任务，包括通过连续的近红外光照射来抓取、提升/降低和释放物体，以及通过同时监测电阻变化来实时感测物体的运动。我们相信，一体式自感水凝胶致动器可以简化智能结构和系统中的传感和致动元件，从而推动下一代智能机器人的发展。

[7]H. Jiang, S. Jiang, G. Chen, and Y. Lan, “Cartilage‐Inspired Multidirectional Strain Sensor with High Elasticity and Anisotropy Based on Segmented Embedded Strategy,” Adv Funct Materials, p. 2307313, Nov. 2023, doi: 10.1002/adfm.202307313.

在这项研究中，受关节内软骨组织复杂结构的启发，我们开发了一种简单的策略来提高分段嵌入结构的力学性能，并利用嵌入结构的固有各向异性来实现结构解耦，并构建能够感知和准确识别平面内正交方向上的拉伸和压缩应变的多向传感器。为了证明结构策略，我们通过设计宏观分段结构，构建了平衡柔软性和高韧性的增强复合材料。例如，分段嵌入结构是通过将聚丙烯酰胺凝胶（PAAm）作为基质部分和木材（一种具有类似于胶原纤维束的层状多孔结构的天然生物材料）作为硬质部分的模板来制造的（图1A）。软段有助于弹性变形，而硬段通过应力分散和局部变形来支撑大量载荷。软段和硬段材料通过宏观力学拓扑结构和氢键紧密结合，增强了嵌入材料的整体延展性，保留了嵌入材料部分各向异性的结构。这使得它们能够在复杂场景中作为平面内传感单元应用。通过垂直堆叠分段嵌入式单元传感器和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为夹层，展示了具有局部高度排列导电网络的多向传感系统。该系统可以感知多个维度的应变，并通过检测电信号来评估和分析对不同方向应变变化的独立响应以及应变强度方向的识别。使用机器学习和分类算法提高了数据识别的准确性。该系统能够有效地监测人体的生理信号和动态运动。

[8]Z. Sun, M. Zhu, X. Shan, and C. Lee, “Augmented tactile-perception and haptic-feedback rings as human-machine interfaces aiming for immersive interactions,” Nat Commun, vol. 13, no. 1, p. 5224, Sep. 2022, doi: 10.1038/s41467-022-32745-8.

在此，我们提出了用于VR应用的增强触觉感知和触觉反馈环（ATH环），其包括用于连续弯曲感测的TENG触觉传感器、用于温度检测的柔性热释电传感器、用于振动触觉反馈的偏心旋转质量（ERM）振动器和用于热触觉反馈的镍铬金属丝。所有传感器和触觉刺激器都集成到ATH环中，导线连接到无线物联网模块，如图1所示。与补充表1中列出的其他现有技术的基于手套的解决方案相比，这种具有多模式传感和反馈功能的极简主义设计的环显示出高度集成和良好便携性的优点。此外，ATH Ring使用自供电传感单元和低压驱动反馈元件来实现低功耗。所提出的基于电压积分的信号处理方法允许基于Teng的连续手指运动检测。通过利用物联网模块和机器学习（ML）分析进行信号收集和处理，可以低成本为工业自动化和医疗保健应用程序实现高级人机交互，即机器人协作操作和手语翻译。此外，通过引入由振动和热刺激器启用的触觉反馈功能，可以使用ATH Rings实现具有对真实世界和虚拟世界的交互式感知的增强VR聊天应用，这为用户提供了面对面的沉浸式体验，并显示出基于元宇宙的社交连接的良好发展前景，特别是考虑到疫情爆发情况下严格的社交距离。

[9]Y. Lu et al., “Stretchable graphene–hydrogel interfaces for wearable and implantable bioelectronics,” Nat Electron, Dec. 2023, doi: 10.1038/s41928-023-01091-y.

在本文中，我们报道了一种基于LIG微图案的薄弹性导电纳米复合材料。我们通过使用低温转移方法（−196 °C）与超薄粘性聚乙烯醇（PVA）-植酸（PA）-蜂蜜（PPH）水凝胶（厚度为1.0–1.5 μm）。在快速冷却过程中，如分子动力学计算所示，有缺陷的多孔石墨烯和水凝胶中的结晶水之间的界面结合能增强。利用PPH水凝胶作为能量耗散界面和平面外导电途径，在基于LIG的复合材料中诱导了电一致的偏转裂纹（而不是直裂纹），导致固有拉伸性从大约20%增加到110%，并进一步优化结构到大约220%。利用这项技术，我们创造了用于皮肤监测的多功能可穿戴传感器。我们还使用该技术创建了用于体内检测的心脏贴片，并证明这些贴片可以与大鼠的心脏形成无缝接触，从而可以用于诊断心律失常和识别肛门状态下的信号演变。