2023-9 柔性传感器领域的进展

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[1]M. Wang et al., “Composite Flexible Sensor Based on Bionic Microstructure to Simultaneously Monitor Pressure and Strain,” Advanced Healthcare Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2301005, doi: 10.1002/adhm.202301005.

为了实现人类的触觉，应变传感器需要与压力传感器耦合，以识别接触材料的顺应性。然而，同时监测压力应变信号并确保两个信号之间没有耦合效应是柔性触觉传感器的技术瓶颈。本文设计并制造了一种基于荷叶微观结构的复合柔性传感器，将电容式压力传感器和电阻式应变传感器集成到一个像素中，实现压力和应变的同时检测。电容传感器的电极层还起到了电阻应变传感器的作用，这大大简化了复合柔性传感器的结构，并获得了更容易集成的紧凑尺寸。该装置可以同时检测压力和变形，更重要的是，这两种信号之间没有耦合效应。这里，传感器具有高压力灵敏度（当压力小于100 kPa时为0.784 kPa−1）、高应变灵敏度（应变0–40%时，应变系数=4.03），并且可以识别具有不同顺应性的材料，这表明了人类皮肤的触觉能力。

[2]R.-M. Chin, Y. Han, and M. H. Malakooti, “Surface-Engineered Liquid Metal Particles for Printing Stretchable Conductive Composites with Enhanced Stability Under Different Strain Rates,” Advanced Materials Technologies, vol. n/a, no. n/a, p. 2301324, doi: 10.1002/admt.202301324.

将液态金属（LM）颗粒集成到柔顺聚合物中，为在可拉伸电子、可穿戴设备、软机器人和其他新兴技术中开发智能和适应性系统提供了一种创新方法。然而，这些固液复合材料的固有电绝缘性质，由LM液滴周围的氧化镓壳复合而成，对建立导电通路提出了重大挑战，尤其是对于小液滴尺寸和超软弹性体。在这里，提出了一种界面改性方法，该方法解决了这一瓶颈，并能够用LM微粒（<2µm）合成高度可拉伸和可打印的复合材料。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）用于功能化这些小的LM夹杂物，削弱颗粒-基体界面，并促进在拉伸应变下形成导电渗滤网络。优化的合成参数产生了具有优异导电性（0.2Ωcm−1）、超高断裂伸长率（>900%应变）和最小电阻变化（≈131%）的印刷导电迹线。此外，这项对这些可拉伸导体在各种应变速率下的机电响应的全面研究揭示了它们在动态负载条件下的非凡稳定性，超过了由喷涂液态金属组成的导电迹线的性能。最后，展示了这些多功能材料在可拉伸电路中的潜在应用，以满足可穿戴电子产品对高拉伸性和稳定性的需求。

[3]C. Zhang et al., “Wireless, Smart Hemostasis Device with All-Soft Sensing System for Quantitative and Real-Time Pressure Evaluation,” Advanced Science, vol. n/a, no. n/a, p. 2303418, doi: 10.1002/advs.202303418.

止血装置是一种缠绕在手腕上的装置，用于防止手术后大量出血。在应用中，将根据患者手腕的大小将 13-15 mL 的空气注入球囊，以压缩桡动脉以进行止血。在这个过程中，施加的压力过小会导致出血，从而引起血肿，而压力过大会引入桡动脉闭塞和血栓形成。准确调节施加在桡动脉穿刺口的压力可以改善止血效果，降低血管通路并发症的发生率。

但是，由于患者的个体差异和医生的主观判断，压力会波动，从而影响患者的舒适度和止血效果。因此，实时检测桡动脉压力而非依靠经验进行调节，可以有效调节注入球囊的空气压力，将有助于实现精准附着、快速止血、提高患者舒适度。

虽然此前已有一些关于绷带或止血设备压力检测的研究报道，但这些研究通常伴随着刚性传感系统，与临床应用中的智能化和贴合性相去甚远。开发先进的柔性传感器可有效解决这一问题。然而，几类常见的柔性压力传感器却各有各的问题。如电阻式和晶体管式压力传感器通常具有稳定的检测能力，不会受到周围干扰的影响，但晶体管式压力传感器伴随着需要持续供电和高能耗的问题，而电阻式压力传感器在变形器件的应用中对拉伸应变过于敏感。电容式压力传感器因其对压力的灵敏度高、响应速度快、对温度不敏感而被广泛应用于可穿戴电子设备中，而且可以通过设计降低其对应变的灵敏度。因此，柔性电容式压力传感器可能是止血设备准确检测压力的理想选择。

该工作制造了一种基于液态金属 (LM)的柔性压力传感器，即使在大变形条件下也能实现设备与皮肤之间的完美贴合，可用于在临床中连续监测桡动脉和腕部皮肤所承受的压力，对止血装置进行精准调节。该传感器在 0-100 kPa 的宽压力范围内，线性灵敏度可达 0.007 kPa-1，满足调节所需精度。

[4]J.-H. Zhang et al., “Versatile self-assembled electrospun micropyramid arrays for high-performance on-skin devices with minimal sensory interference,” Nat Commun, vol. 13, no. 1, Art. no. 1, Oct. 2022, doi: 10.1038/s41467-022-33454-y.

贴合皮肤器件在医疗保健、行为监测、个人防护、自供电电子和人机互动等方面显示出巨大的应用潜力。随着这些领域的发展，贴合皮肤器件被进一步要求实现舒适的长期使用，并减少感觉干扰与触觉损失。为了实现贴合皮肤器件的无感性，研究人员利用静电纺丝技术制备超薄、超轻、透气的功能膜，最大限度地减少器件粘贴对皮肤造成的触觉干扰与使用不适感。然而，受限于静电纺丝的随机沉积方式，目前的无感式功能膜表面平坦，具有较差的光、热、力、电性能，导致器件性能较差，限制了其在健康监测、动作传感、能量收集、体表降温等诸多领域的应用。因此，开发新型微结构材料，提高无感型器件的性能表现成为相关领域科学家所面临的重大挑战。

南京大学的潘力佳教授和施毅教授领导的团队开发出一种自组装电纺微金字塔阵列（EMPA）膜，该膜具有超薄、超轻、透气的结构及良好的光、热、力、电性能，赋予无感型贴合皮肤器件在日间辐射制冷、压力传感和生物能收集等领域优良的性能表现（图1）。在一个标准太阳光强度（1 kW m–2）下，EMPA织物可以将皮肤周围的温度降低约4 ℃。EMPA压容-摩擦电混合传感器的灵敏度可以达到19 kPa–1、检出限低至0.05 Pa、响应时间快至0.8 ms。EMPA生物机械能收集器的能量转化效率达到42%（图2）。得益于上述性能优势，EMPA器件适用于对电竞运动员、货车司机等特殊工种进行长期的健康、情绪及压力监测，自供电动作监测及个人热辐射防护而不影响相关工作人员的正常操作。此外该团队和河海大学的李政通博士与山西省人民医院的许娟教授合作验证了该器件的生物相容性、无感性与日间辐射制冷效果。