2024-02 柔性传感器领域的进展

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1.Chen, C. et al. Biomimetic Multimodal Receptors for Comprehensive Artificial Human Somatosensory System. Advanced Materials 2313228 (2024) doi:10.1002/adma.202313228.

皮肤是外部环境与人体之间至关重要的感觉界面和保护屏障。[ 1 ]电子皮肤（e-skin）是为了模仿自然皮肤的机械特性和复杂感觉而开发的，对于下一代可穿戴电子产品具有巨大的潜力。目前的电子皮肤可以对变形引起的压力、弯曲和应变刺激做出反应。[ 2 ]通过结构设计和多重传感集成，这些基本感知信号甚至可以转化为其他刺激信息，包括顺应性（或杨氏模量）、[ 3 ]复杂应力（扭转、剪切、挤压等）、[ 2]，4 ]和表面纹理。[ 5 ]不幸的是，传统的电子皮肤无法与这些平面外信号进行交互，这些信号涉及平面外的气流或力。[ 6 ]随着机器人技术、监控技术和虚拟/增强现实的快速发展，它们需要满足更高的要求来补充当前的传感策略。

电子胡须（e-whisker）作为一种典型的3D结构传感器，表现出与2D结构电子皮肤不同的特征传感模式，2D结构电子皮肤模仿啮齿动物的胡须来检测平面外刺激，例如气流和碰撞。[ 6 , 7 ]虽然将电子皮肤和电子晶须单元合并到设备中提供了一种获得综合刺激信号的潜在解决方案，但这种一体化设备使电路设计变得复杂并占用更多空间。因此，将电子皮肤和电子晶须的感知能力集成到单个传感单元中仍然是一个挑战。在自然界中，蜂鸟可以通过使用竖羽肌和弹性膜来控制羽毛的运动，从平放到升起，[ 8 ]这为实现电子皮肤的按需转换提供了有效的策略。和电子晶须模式。为了准确模仿人体皮肤的体感系统，传感器需要实现温度识别。此外，将温度和机械刺激解耦至关重要，[ 2 , 9 ]热电材料是这些报告中的合适选择。

在这里，受到蜂鸟羽毛形态转换的启发，我们设计了一种可拉伸的仿生多模式受体（SBMR），它具有基于多壁碳纳米管（MWCNT）热电材料可逆地将其结构从2D转变为3D的能力。利用剪纸技术，可以通过弯曲（或拉伸）和恢复受体来改变这种仿生结构和功能。该传感器可以进入 2D 模式，像电子皮肤一样感应压力。为了感测平面外信号，SBMR 切换到 3D 模式，展示气流感测和平面外力的超低检测限（低至 25 µN）。在模式切换过程中，可以检测到弯曲信号。配备亲水性热电传感层，我们能够在3D模式下以高线性度准确获取大范围的湿度和温度信息。多模态传感使 SBMR 能够通过评估与设备温度、房间湿度和出风口气流相关的信号来更好地监控空调等机械设备的运行。最后，SBMR 作为一种低成本、可靠的多功能传感器，应用于机器人手指的关节，通过多模态传感来区分各种物体和触摸。这项工作将为柔性电子产品开启当前电子皮肤的发展之路，具有更全面的性能。

1.Zhou, H. et al. Tough Hydro‐Aerogels with Cation Specificity Enabled Ultra‐High Stability for Multifunctional Sensing and Quasi‐Solid‐State Electrolyte Applications. Advanced Materials 2313088 (2024) doi:10.1002/adma.202313088.

水凝胶具有高含水量的特点，是一种多功能交联聚合物材料，在植入式电子产品、储能设备、软机器人、涂层、组织工程和药物输送等领域有着广泛的应用。[ 1 - 4 ]然而，它们随时间膨胀和收缩的固有倾向是其长期稳定性的重大障碍。[ 5 ]此外，通过用空气代替湿凝胶的液体成分，形成了低密度和高表面积的气凝胶，从而形成主要由空气组成的固体材料。[ 6 ]气凝胶的独特性能促进了其在许多应用中的使用，包括隔热和隔音、催化、能量存储和环境修复。[ 7-9 ]例如，作为有前景的能源系统材料，石墨烯基碳气凝胶表现出优异的化学和物理稳定性，[ 10 ]并在支撑稳定电极材料方面表现出出色的能力。[ 11 ]然而，它们的脆弱性和多孔性使它们的生产具有挑战性且成本高昂，而它们的高孔隙率使它们脆弱且难以在某些环境下操作，[ 12 ]因此突出表明明显需要研究能够弥合两者之间差距的物质。这两类，即赋予水凝胶最佳的含水量、柔韧性和弹性，以及赋予气凝胶强大的网络结构。

霍夫迈斯特效应主要通过盐溶液中溶质的物理和化学性质的变化来证明，由于其能够生产坚固、有弹性和抗疲劳的水凝胶材料，因此在水凝胶领域受到了极大的关注。[ 13 ]因此，具有离子特异性效应的聚合物已被制造出来，从而产生具有广泛可调性和优异机械性能的水凝胶。[ 14 ]已经进行了研究以在分子水平上仔细检查离子-聚合物链-水相互作用。还针对不同离子的影响探索了聚合物的溶解度和溶胀。然而，仍然存在一个未解决的问题：[ 15 ]为什么对阴离子而不是阳离子有一致的离子特异性效应？尽管对于不同阴离子的盐溶和盐析现象的离子特异性效应存在一些共识，但大多数研究人员将阳离子归类为盐溶现象，这意味着阳离子可以降低聚合物链的缠结和结晶度。然而，这一现象尚未得到令人信服的澄清。阳离子如何表现出盐析现象并达到与阴离子相似的离子特异性效果？

水化是指水分子与其他物质之间形成氢键，从而在这些物质的分子或离子周围形成一层水分子。[ 16 ]该水化层可以引起物质的化学和物理性质（例如溶解度和反应性）的变化。研究人员提出，阴离子对水凝胶的有益作用源于亲水聚合物周围水化层的破坏。[ 17 ]水分子倾向于与高度亲水性阴离子水合，导致亲水性聚合物分子间关系的调整或重组。[ 18 ]然而，由于电荷性质、水合位点数量和水合结构稳定性的差异，阳离子的水合能力比大多数阴离子弱得多。[ 19 ]阳离子的水合能力甚至低于亲水性聚合物，因此不可能建立普遍适用的阳离子特异性。[ 20 ]因此，如果阳离子能够克服高水合阴离子的抑制作用并破坏亲水聚合物表面的水化层，则它们有可能表现出其真正拥有的阳离子的增强作用和离子特异性。

在这里，我们介绍了一种新型中间材料，称为水气凝胶，其性能介于水凝胶和气凝胶之间。采用多步骤策略制备水气凝胶，包括硼砂预处理、盐水浸泡、冷冻干燥和空气再水化。首先，通过硼砂键合预凝胶化抑制亲水聚合物的水化，并采用弱水合阴离子（例如Cl -）作为对应物，制备具有阳离子特异性的聚乙烯醇（PVA）水气凝胶。至关重要的是，阳离子之间的静电斥力取代了水合作用，成为影响 PVA 水气凝胶性能的关键因素。合理选择阳离子（例如Ca 2+）和引入相对刚性的二维材料（例如氧化石墨烯（GO）纳米片）可以实现盐析现象并产生交错均匀的硼砂/PVA层状网络/GO/Ca 2+水气凝胶（B-PGCa）在冷冻干燥和空气中复水后具有优异的弹性和耐久性。B-PGCa 的增强层状结构即使在 50% 应变下 30 天后也表现出高压缩应变和长期稳定性。此外，相应的压力传感器还具有15.68 kPa -1的高灵敏度、5 ms的超快响应时间以及90天的测试过程中优异的稳定性。此外，B-PGCa在湿度响应和海洋环境监测方面表现出优异的性能。更令人印象深刻的是，具有盐析现象的PVA水气凝胶可以作为超级电容器中有效的固态电解质，表现出39.2 F g -1的高电容，即使在10 000次循环后仍能保持99.59%的电容。

[1]X. Shi et al., “A Sweat Absorbing Skin Electrode for Electrophysiology During Exercise,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2314775, doi: 10.1002/adfm.202314775.

适当的运动有利于我们身体的免疫系统，有助于预防各种疾病。[ 1 ]不当运动会导致软组织损伤、[ 2 ]脱水、[ 3 ]或抽筋。[ 4 ]电生理学是评估人体健康状况的重要指标[ 5 ]，并据此指导运动和运动康复训练。[ 6 ] Ag/AgCl凝胶电极常用于临床和家庭医疗设备，其中Ag/AgCl收集微弱的生物电信号，凝胶确保电极和皮肤界面之间的紧密接触。然而，在真实的运动场景中，皮肤会随着汗液的分泌而振动、拉伸或划伤，导致接触界面受到严重干扰，而Ag/AgCl凝胶电极无法解决这一问题。[ 7 ]为此，迫切需要一种能够连续稳定地获取准确的电生理信号，并且适合运动和出汗的新型皮肤电极。

基本上有两种设计策略来减少这种运动和出汗干扰，以监测运动期间的电生理信号。一种是通过超薄金属或碳电极与皮肤形成保形且难以察觉的接触。[ 8 ]例如，Igor R. Efimov 等人。[ 9 ]制备了一种超薄石墨烯纹身电极，即使在心脏跳动时也能保形地粘附在皮肤/组织上并准确测量生物电信号。然而，如此薄的电极在运动期间佩戴医疗保健电子设备时容易受到严重刮擦或较大的机械应变。另一种策略是使用纳米网格基材，然后蒸发或涂覆导电层。[ 10 ]严等人。[ 11 ]设计了一种由具有梯度孔径的多层聚（离子液体）纳米纤维制成的吸湿排汗膜，该膜可以通过疏水性和亲水性官能团的交替分布来排斥和吸收汗水。最终的皮肤电极是通过将碳纳米管薄膜涂覆在这种吸湿膜上而制成的。由于碳纳米管薄膜的表面粗糙且坚固，电极与皮肤之间的接触不会是保形的，导致从大的基线噪声来看电生理信号的获取性能不理想。此外，超薄导电膜和纳米网膜都不太可能重复使用。因此，在皮肤电极结构中，将坚固且导电的物质嵌入柔软且粘性的基质中可能是运动期间稳定电生理信号采集的解决方案。[ 12 ]然而，在引入聚合物或水凝胶作为机械粘合层和适应层与皮肤界面时，[ 13 ]它们通常充当汗液和电荷传输的屏障层。[ 14 ]考虑到所有这些因素，将坚固的 3D 导电框架纳入吸汗水凝胶或聚合物基质中，形成适应性皮肤接触以及导电通路，对于测量运动期间的电生理学是极其必要的。

在这项研究中，我们开发了一种吸汗皮肤电极（SAE），在运动过程中出汗后，它会变得更柔软、更具粘合性和导电性。它由Ti 3 C 2 TX气凝胶和两性离子聚合物组装而成的双导电网络组成，其中Ti 3 C 2 TX气凝胶和两性离子聚合物都提供电子和离子导电网络。在所有状态下，SAE 记录的电生理信号质量均优于商用 Ag/AgCl 凝胶电极。特别是，由于两性离子聚合物可以吸收汗液并变得更柔软、更具粘合性和导电性，因此出汗后SAE的电生理信号记录能力可以增强，从而产生高信噪比（SNR> 40 dB）。我们进一步应用 SAE 通过分析 EMG 信号的平均功率频率（MPF）来评估肌肉疲劳，从而指导运动训练。结合机器学习，我们还建立了肌电图和生理标志物之间的相关性。我们的研究结果表明，吸汗和电子/离子双传导SAE是监测运动期间电生理学的合适选择，为运动和康复训练提供科学指导。

[1]L. Wu et al., “Beetle-Inspired Gradient Slant Structures for Capacitive Pressure Sensor with a Broad Linear Response Range,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2312370, doi: 10.1002/adfm.202312370.

随着物联网和人工智能的蓬勃发展，柔性压力传感器因其在电子皮肤、人机界面、环境监测等方面的应用前景而受到前所未有的关注。[ 1 - 5 ]根据工作机理，柔性压力传感器可分为压电式、压阻式、压电容式和摩擦电式四种常见类型。[ 6 - 8 ]其中，将压力刺激转换为电容信号的电容式传感器因其结构简单、功耗低、对温度不敏感、响应速度快而受到越来越多的关注。[ 9 - 11 ]一般来说，不同的应用场景中存在不同程度的外部压力刺激。例如，呼吸和轻柔触摸过程中分别产生微压（<1 kPa）和中压（>1 kPa）[ 12 ]；足底压力通常会产生较高的压力（>10 kPa）。[ 13 ]同时，为了简化数据处理和实现精细监测，需要线性响应。[ 14 ]此外，传感器间的高再现性和低滞后对于任何实际应用都具有重要意义。[ 15 ]为此，柔性电容式压力传感器需要具有较宽的线性响应范围和较高的传感器间再现性，以适应不同的应用场景。[ 16 - 18 ]

微结构介电层或电极层是提高电容式压力传感器传感性能的有效策略。[ 19 ]这是因为这些微结构不仅可以降低有效杨氏模量从而提高可压缩性，而且还可以通过引入空气来降低粘弹性。[ 20 ]鲍等。文献[ 21 ]首次在介电层中引入微金字塔阵列，并在2 kPa的压力范围内实现了0.55 kPa -1的高灵敏度，比具有非结构化介电层的电容式传感器高了30倍。从那时起，各种表面和内部微观结构，包括针、柱、锥、皱纹和多孔结构被设计和开发为介电层。[ 22-26 ]然而，这些基于微结构介电层的压力传感器呈现出有限的线性传感范围，因为结构硬化会导致信号饱和。最近，梯度微结构已成为一种有前途的介电层，可进一步提高灵敏度和线性传感范围。[ 27 , 28 ]例如，Bai 等人。[ 29 ]引入了介电层中砂纸复制的分级内填充微结构，这种策略可以显着提高灵敏度和传感范围。然而，由于随机结构的批次间一致性较差，它们可能具有较低的传感器间均匀性。李等人。[ 30 ]报道了一种基于分级斜尖锥阵列的宽量程压力传感器，但其线性度并不令人满意。因此，实现具有宽线性范围和高传感器间一致性的电容式压力传感器仍然是一个巨大的挑战。

在本文中，模仿甲虫脚的结构（图 1a），[ 31 ]提出了一种基于甲虫启发的梯度倾斜结构（GSS）的新型介电层，以赋予电容式压力传感器广泛的线性范围。鉴于GSS介电层经历弯曲变形而不是压缩变形，所构建的压力传感器表现出优异的可压缩性，显着提高了传感器灵敏度。此外，不同高度的倾斜柱可以随着压力的增加依次接触电极，可以有效解决由于结构硬化而导致的信号饱和问题，从而增加线性传感范围。所制造的 GSS 介电层具有出色的批次间一致性，赋予传感器间的高均匀性。对 GSS 的变形行为进行有限元分析 (FEA) 模拟，以进一步确认其工作机制。此外，所提出的基于 GSS 的电容式压力传感器被证明具有快速响应/恢复、低检测限、出色的动态响应、可忽略的滞后和出色的长期稳定性。最终，压力传感器成功应用于外部压力刺激检测、柔性感知阵列、智能鞋垫系统等多种场景。

[1]T. Zhang et al., “Improving the Resolution of Flexible Large-Area Tactile Sensors through Machine-Learning Perception,” ACS Appl. Mater. Interfaces, Feb. 2024, doi: 10.1021/acsami.3c17880.

工业机器人是智能制造的主要装备，阵列式触觉传感器被认为是其主动感知和理解生产环境的核心器件。现有阵列式触觉传感器面临的一大挑战是传感单元在有限面积内的布线、少量传感单元与高分辨率之间的矛盾，以及由于传感单元性能的差异而导致整体输出模式的偏差。每个传感单元本身。受人类体感处理层次结构的启发，我们将触觉传感器与人工智能算法相结合，简化传感器架构，同时实现远大于信号通道数量的触觉分辨率能力。所制备的8电极碳基导电网络在二次判别分析算法的辅助下实现了32个区域的高精度识别，分类准确率高达97%。值得注意的是，传感器在 60 kPa 压力下循环 13,000 次后输出保持不变，表明其具有出色的耐用性能。此外，大面积的类皮连续导电网络制造简单、成本效益高，并且可以根据应用轻松放大/缩小。这项工作可以满足工业机器人对简单制造、快速集成和适应性几何触觉传感器日益增长的需求。

[1]Y. Liu, J. Tao, Y. Mo, R. Bao, and C. Pan, “Ultrasensitive Touch Sensor for Simultaneous Tactile and Slip Sensing,” Advanced Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2313857, doi: 10.1002/adma.202313857.

在这项研究中，我们开发了一种超灵敏压阻式触摸传感器，采用一步相转化成膜策略和牺牲模板 (PI-ST) 方法。此外，我们使用小波变换对输出信号进行频谱分析，以使传感器应用能够进行压力和滑动检测。该触摸传感器由于其极低的压缩模量（23.8 Pa）和活性层良好的压缩性，在低于 1179 Pa 的压力下实现了 1167 kPa -1的超高灵敏度，在 1179–10 240 Pa 的压力下实现了 25 kPa -1的灵敏度具有互连的多孔结构。传感器最小可检测压力约1.34 Pa，在500 Pa负载下可稳定工作2000次以上的加卸载循环。此外，还可以检测极低的静压、动压、微弱的生理信号。，并演示了微弱振动，以验证触摸传感器在实际应用中的稳健性能。使用小波变换对输出信号进行处理，以获得滑移信号的频域特征，从而可以检测滑移并识别各种材料。使用机器学习算法提高了触觉和滑动信号的识别精度。在本文中，我们表明，与当前类别的触摸传感器相比，我们提出的触摸传感器实现了最佳的传感灵敏度、检测范围和检测限。目前，只有基于气溶胶的传感器具有类似的灵敏度，尽管检测范围要窄得多。[ 14 ]因此，我们的传感器可以稳健地检测复杂的接触状态，包括压力和滑动。超灵敏触觉传感器的制造策略以及传感器与数据表征工具的结合可以为构建具有高潜力的智能机械臂开发的单独触觉/滑动传感器提供新途径。

[1]H. Yang et al., “Fabrication and Photothermal Actuation Performances of Electrospun Carbon Nanotube/Liquid Crystal Elastomer Blend Yarn Actuators,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 16, no. 7, pp. 9313–9322, Feb. 2024, doi: 10.1021/acsami.3c18164.

在此，我们利用静电纺丝技术和两步交联策略开发了一种新型碳纳米管/液晶弹性体复合纤维纱线（图1）来解决上述问题。在该策略中，碳纳米管不仅可以用于光热转换，还可以提高LCE纤维的机械性能。碳纳米管在可见光和红外光谱波段具有宽的光吸收、高的光热转换效率和良好的导热性，可以将获得的热能快速传递到复合LCE纱线上，从而实现有效的光热驱动。静电纺丝作为一种简单有效的纳米纤维生产新加工技术，由于其制造设备简单、纺丝成本低、可纺材料范围广等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要方法之一。和过程控制。如果可以在不降低纤维收缩率的情况下提高复合纤维的响应速度，我们预计以这种方式生产的复合纱线将有潜力用作执行器，例如在仿生和响应纺织品中。研究了不同混纺纱线的形态和结构变化。同时对该混纺纤维的纱线力学性能、光热转换性能和光驱动性能进行了研究和分析。由于具有各向异性、可逆和可编程的形状变形特性，CNT/LCE 复合纱线被认为特别有希望用于具有各种机器人运动（例如抓取、行走和爬行）的刺激驱动执行器。

[1]L. Chen et al., “Wearable Sensors for Breath Monitoring Based on Water‐Based Hexagonal Boron Nitride Inks Made with Supramolecular Functionalization,” Advanced Materials, p. 2312621, Feb. 2024, doi: 10.1002/adma.202312621.

可穿戴湿度传感器引起了人们的广泛关注，因为它们可以通过活动跟踪和空气质量评估来实时、连续地监测重要的生理信息。在二维 (2D) 材料中，氧化石墨烯 (GO) 由于其可调节的表面化学性质、高表面积、水中的可加工性以及易于集成到柔性基板上，对于湿度传感非常有吸引力。然而，强滞后、低灵敏度和交叉敏感性问题限制了 GO 在实际应用中的使用，在实际应用中，优选连续监测。本文展示了一种由芘功能化六方氮化硼（h-BN）纳米片制成的可穿戴无线阻抗湿度传感器。该器件对相对湿度 (RH) 表现出增强的灵敏度（在 5% 至 100% RH 范围内 >10 10 Ohms/%RH）、快速响应 (0.1 ms)、无明显滞后，且与温度不存在交叉敏感性。 25-60°C 范围。基于h-BN的传感器能够监测呼气和吸气的整个呼吸周期过程，从而能够实时记录与不同日常活动以及流感各种症状相关的呼吸信号的最细微变化，而无需与个人的任何直接联系。

[1]Q. Xu et al., “Highly Flexible, High‐Performance, and Stretchable Piezoelectric Sensor Based on a Hierarchical Droplet‐Shaped Ceramics with Enhanced Damage Tolerance,” Advanced Materials, p. 2311624, Feb. 2024, doi: 10.1002/adma.202311624.

可拉伸自供电传感器在下一代可穿戴电子产品中引起了人们的极大兴趣。然而，目前基于压电聚合物或0-3压电复合材料创建可拉伸压电传感器的策略面临着一些挑战，例如压电活性低、灵敏度低和耐用性差。在本文中，采用仿生软刚混合策略来构造一种新型的高柔性、高性能和可拉伸的压电传感器。受铰接双壳类动物Cristaria plicata的启发，制造了分层水滴状陶瓷并将其用作刚性部件，计算模型表明这种仿生结构独特的拱形曲面和圆角可以缓解应力集中。为了确保拉伸过程中压电相的电连接性，图案化的液态金属充当软电路，具有优化润湿性和拉伸性的有机硅聚合物充当软组件，与分层陶瓷形成强大的机械联锁。新颖的传感器设计表现出出色的灵敏度和耐用性，在 60% 应变下进行 5000 次拉伸循环和 180° 进行 5000 次扭转循环后，开路电压保持稳定。为了展示其在医疗保健应用中的潜力，这种新型可拉伸传感器成功用于无线手势识别和评估膝骨关节炎的进展。

[1]Y. Lu et al., “Robust Fiber‐Shaped Flexible Temperature Sensors for Safety Monitoring with Ultrahigh Sensitivity,” Advanced Materials, p. 2310613, Feb. 2024, doi: 10.1002/adma.202310613.

柔性温度传感器能够检测和传输来自人体、环境和电子设备的温度数据，在电子皮肤、人机交互和灾害预防系统中具有巨大的应用潜力。尽管如此，制造具有卓越传感性能的柔性温度传感器仍然是一项艰巨的任务，这主要是由于构建具有高灵敏度的本质柔性传感元件的复杂过程。在这项研究中，介绍了一种简便的原位两步合成方法来制造柔性纤维状NiO/碳纳米管纤维（CNTF）复合材料。由此产生的 NiO/CNTF 柔性温度传感器表现出出色的变形能力和温度传感特性，涵盖较宽的工作范围（−15 至 60 °C）和高灵敏度（最大 TCR 为 -20.2% °C -1，B 值为 3332 K）。重要的是，使用有限元分析模拟彻底检查了传感器在各种应用条件下的机械和热行为。此外，温度传感器可以有效捕获可穿戴应用中的各种热信号。值得注意的是，开发了温度监测和预警系统，以防止电子设备异常热失控引起的火灾事故。

[1] H. Liu, “Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring”.

一些爬行动物（例如蛇）的皮肤覆盖有叠瓦状鳞片，这些鳞片可以相互远离以适应皮肤的张力，从而有助于提高拉伸性（图 1 A）。4849受这种独特结构的启发，我们在此提出了一种用于应变传感的双层 PEDOT:PSS 薄膜。在此结构中，微米尺寸的 PEDOT:PSS 岛渗透连接，赋予双层薄膜高拉伸性。这些微岛的密度影响薄膜的拉伸性，可以通过预拉伸和多步旋涂工艺的结合来调节薄膜的拉伸性。重叠的 PEDOT:PSS 微岛的相对位移可以由小应变引起，而所提出的应变传感器还可以处理具有结构和功能鲁棒性的大应变。这种机制使基于 PEDOT:PSS 的应变传感器能够在各种应变下可靠地工作。同时对传感器的灵敏度和稳定性进行了评价。在设备下方引入水凝胶层作为传感元件和人体皮肤之间的界面层，以提高该应变传感器的生物和机械兼容性。进行拉伸和搭接剪切测试，以研究弹性体/水凝胶界面的坚固性和可靠性。最后，将该传感器部署在人体上，评估其感知各种皮肤变形的能力。

[1]C. Lu et al., “A cross-scale honeycomb architecture-based flexible piezoresistive sensor for multiscale pressure perception and fine-grained identification,” Mater. Horiz., vol. 11, no. 2, pp. 510–518, 2024, doi: 10.1039/D3MH01387A.

在这里，我们提出了一种由微观尖端和宏观基底组成的跨尺度架构，它在较宽的压力范围（10 -4 –10 4 kPa）内提供连续变形能力。跨尺度结构的优点是比SM和PS结合的复合结构的制备过程更简单，并且与微纳表面结构或内部孔隙相比，其单元尺寸从微观尺度到宏观尺度有利于大规模制备。基于跨尺度蜂窝结构（CHA）的压阻传感器在较宽的压力范围（0.5 Pa–0.56 kPa: S 1 ∼ 27.97 kPa -1 ; 0.56–20.40 kPa: S 2 ∼ 2.30 kPa -1 ）表现出优异的灵敏度。 ; 20.40–460 kPa: S 3 ∼ 0.13 kPa -1 )。因此，基于CHA的传感器表现出从0.5 Pa到40 MPa的多尺度压力感知和细粒度识别能力，包括在健康监测、语音识别、运动监测、汽车压力传感等方面的应用。由于在中高压范围内的宽线性响应范围内具有出色的细粒度识别能力，我们设计了智能鞋垫，使用基于CHA的传感器阵列来监测足部的运动状态，可以提供实时的远程健康信息老龄化社会独居老人监测。

1.Yang, H. et al. Computational design of ultra-robust strain sensors for soft robot perception and autonomy. Nat Commun 15, 1636 (2024).

在这项工作中，基于确定性裂纹扩展机制，开发了一种计算应变传感器设计，以解决传感器建模和传感器稳定性挑战，以实现自主软机器人导航。首先，传感器建模是通过精确的传感器制造以及规定的结构演变来实现的。基本上，通过激光辅助制造，用户定义的叉指裂纹阵列在压阻应变传感器的微皱内进行编程，展示了高度可控的裂纹扩展行为和可调谐的传感器特性。通过输入裂纹密度、微皱折特征等传感器结构参数，建立相应的有限元分析（FEA）模型，进行机械和电气双物理场演化，高精度模拟不同传感器的传感曲线。其次，确定性的裂纹扩展模式和微皱折特征实现了出色的传感器鲁棒性。特别是，所制造的传感器在噪声干扰（高达 50% 应变）、间歇循环负载（100,000 次循环）和动态工作频率（0–23 Hz）下表现出长期机械鲁棒性，满足了各种传感要求从宏观到微观的软机器人。借助机器学习算法，集成传感器的折纸机器人可以实现高精度的自主机器人导航，包括自我估计（误差<4%的机器人轨迹预测）和环境测绘能力（误差<10%的地形高度感知））。硬件传感器和软件系统进步的融合使软机器人能够可靠地感知和感知，做出明智的决策，并在复杂的环境中自主导航。

1.Zhang, J. et al. Mechanically Robust, Flexible, Fast Responding Temperature Sensor and High‐Resolution Array with Ionically Conductive Double Cross‐Linked Hydrogel. Adv Funct Materials 2314433 (2024) doi:10.1002/adfm.202314433.

在这项工作中，我们制造了一种基于离子交联聚丙烯酰胺-海藻酸钠（PAAm-SA）水凝胶的可穿戴离子温度传感器。具有受温度影响的离子迁移的传感水凝胶层与Au叉指电极层压，并用聚对二甲苯C和商用UV固化树脂封装。由于水凝胶的双交联结构以及后防脱水和UV共固化处理，器件的坚固性可以承受2000次循环压缩和175 N m -1粘合力，从而在有源层和封装之间实现180°防剥离层。通过离子传导机制，可穿戴设备可以检测身体各部位的温度，差异低至0.9℃。同时，该传感器具有快速响应和高分辨率的特点，可以区分呼吸过程中的微小温差，适合实时监测呼吸。此外，还制作了5×5温度阵列，可以绘制食指指尖的温度分布图并识别手腕处的浅表血管通路。在该阵列中，通过微加工工艺引入微气隙，大大减少了每个像素之间的热串扰，从而实现了0.15 mm -1的温度检测分辨率。该传感器具有高鲁棒性、检测范围广、精度高等优点，解决了耐用性和可靠性差的实际问题，为下一代生物电子学提供了潜力。

1.Ge, G. et al. Rapidly Gelling, Highly Adhesive, and Mechanically Robust Ionogels for Stretchable and Wireless Electronics. Advanced Functional Materials n/a, 2310963.

本文提出了一种聚合诱导的相分离策略来制备一种新型粘合离子凝胶（AIG），该凝胶具有快速凝胶化、超高粘合力和优异的机械韧性。N-(2-羟乙基)丙烯酰胺(NHEAA)在聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDADMAC)和甘油的共溶剂中在紫外线照射下发生快速光聚合，表现出快速凝胶化特性。所得的聚（N-（2-羟乙基）丙烯酰胺）（PNHEAA）作为结晶域，增强了刚性，而共溶剂则构成了柔软的无定形域，从而实现了相分离结构。通过采用不同的配方来操纵相分离构型，可以很容易地调节杨氏模量和韧性。令人印象深刻的粘合强度和界面韧性归因于密度泛函理论（DFT）验证的强大的分子间和分子内相互作用。此外，我们利用AIG制备了能够检测出汗和坐姿的无电池可伸缩电子设备，这表明其在实时监测生理活动的可穿戴和便携式设备中的潜力。

1.Yu, D. et al. Hofmeister Effect-Assisted Facile One-Pot Fabrication of Double Network Organohydrogels with Exceptional Multi-Functions. Advanced Functional Materials n/a, 2307566.

在这项工作中，我们通过简单的一锅法开发了一种多功能PAAm/明胶/硫酸铵有机水凝胶（PGAOH）（方案 1A）。我们的研究结果表明，在丙烯酰胺分子的帮助下，即使在高浓度的亲液盐溶液中，明胶也可以有效分散（图S1，支持信息）。这种行为可能归因于丙烯酰胺分子内丰富的氨基，其通过氢键与明胶链建立相互作用，从而防止明胶链在亲液盐溶液中聚集。值得注意的是，丙烯酰胺分子不仅有助于明胶溶解在亲液盐溶液中，而且还可以通过光聚合形成另一个网络（PAAm）来增加网络密度，从而增强凝胶的机械性能（图S2和S3，支持信息）。此外，硫酸铵均匀分散在甘油和水的混合溶剂体系中，以实现高电导率。同时，硫酸铵可以诱导明胶链之间额外的相互作用，通过霍夫迈斯特效应进一步增强凝胶的机械性能。此外，由于其无色、无毒的特性，甘油在工业上作为有效的水结冰抑制剂得到了广泛的应用。[ 12 ]因此，我们将其纳入体系中，以增强凝胶的抗冻和保水性能。值得注意的是，甘油还可以与聚合物链相互作用，进一步提高凝胶的力学性能和透明度。

1.Gao, Y. et al. Stackable and Deployable Laser-Induced Graphene Layers Toward the Flexible Manufacturing of Smart 3D Honeycombs with Multifunctional Performance. Advanced Functional Materials n/a, 2316533.

在这项工作中，我们通过设计和形成可部署的 LIG 层以及交替插入的热塑性聚氨酯 (TPU) 粘合层，首次创建和开发了 LIG 智能蜂窝 (LIG-HC)。根据多个关键参数，包括 LIG 的层数、TPU 的几何形状、部署水平和激光的选择性照射，这种制造对于确定具有高度结构设计的 LIG-HC 是独一无二的，包括可扩展的面积尺寸和厚度，可变的细胞尺寸和形状，以及可图案化的石墨烯簇。为了进一步建立和理解与工艺相关的结构和性能，系统地探索了关键参数，以同时保证结构完整性和导电性，这进一步支持多功能特性的调节，包括各向异性机械、电气、压阻和电磁性能。为了最终展示航空航天领域独特的蜂窝结构，代表性地构建并应用了具有智能LIG-HC功能的飞机机翼模型，并应用于防冰除冰、高温预警和阻燃、压力传感和振动监测，以及电磁屏蔽和隐形。

1.Su, Y. et al. Monolithic Fabrication of Metal-Free On-Paper Self-Charging Power Systems. Advanced Functional Materials n/a, 2313506.

我们开发了一种整体工艺，可以在纸质基材上几乎完全打印无金属 SCPS，其微型化占地面积约为 2 cm × 3 cm，厚度约为 1 mm。高度可靠且导电的 PEDOT:PSS 墨水由少量碳量子点稳定，采用水/EG 混合溶剂配制而成。PEDOT:PSS 在纸张表面上具有出色的顺应性，可以轻松印刷高度粗糙的导电电极，这些电极可以在 SCPS 中发挥多种作用，包括用于具有高倍率能力（> 1000 mV s -1）的 MSC 的大面积电极、互连、以及用于TENG的有效摩擦电电极，以避免使用垫片来简化TENG结构并提高整个SCPS的小型化。完整的印刷和近乎整体的工艺使我们能够灵活地定制MSC阵列中的单元数量，以提高倍率能力（例如，6单元串联的MSC阵列达到6000 mV s -1 ）并提高存储效率来自 TENG 的瞬时（脉冲）电。在连续按压和释放 TENG 约 79 000 次循环后，3 单元 MSC 阵列可充电至 1.6 V，而 6 单元阵列可充电至 3.0 V。除了使用一个商用（非印刷）整流器组件之外在目前的工艺中，整体工艺已显示出制造完全不含金属的纸上 SCPS 的前景，作为新兴电子产品的轻质、薄型、可持续、环保和低成本电源。

1.Pu, J. et al. Grafted MXene Assisted Bifunctional Hydrogel for Stable and Highly Sensitive Self-Powered Fibrous System. Advanced Functional Materials n/a, 2304453.

我们报道了一种通过将聚丙烯酸接枝MXene引入到聚丙烯酰胺/壳聚糖中（表示为MXene-g-PAA-PAM/CS，MPPC）的双功能水凝胶，该水凝胶可同时用于高灵敏度应变传感器和ZIBs的稳定电解质。高度兼容的自供电光纤传感系统。MXene-g-PAA 薄片可以均匀分布在 PAM/CS 基质中，并充当离子传输“高速公路”，以增强水凝胶的离子电导率。MXene-g-PAA、CS和PAM中的─COOH、─NH 2和─CONH 2之间也可以分别形成三元氢键相互作用，从而增加了水凝胶的亲水性并增强了机械性能。基于水凝胶，构建了超长可拉伸纤维应变传感器，具有优异的机械强度（1.8 MPa）、高灵敏度（应变系数（GF）为2.4）、宽检测范围（0–800%）和快速响应时间（91.6 毫秒）。此外，水凝胶电解质可以限制水分子运动并加速水合Zn 2+的脱水，从而有效减少副反应并延长ZIBs的稳定性。基于水凝胶的柔性ZIB表现出353 mAh cm -3的高容量和长循环稳定性（2 A cm -3下400次循环）。然后，通过集成水凝胶传感器和ZIB，设计了一个兼容的可拉伸自供电纤维传感系统，该系统能够实时监测和分析人体运动，以及检测3D乒乓球的轨迹和速度。

1.Yang, G. et al. Schottky Effect-Enabled High Unit-Area Capacitive Interface for Flexible Pressure Sensors. Advanced Functional Materials n/a, 2401415.

本研究针对柔性电容式压力传感器中纳米介电层的机械弱点和电子隧道问题，采用Al表面自然形成的Al 2 O 3钝化层作为介电层，抑制电子通过铝和半导体电极之间肖特基接触的能量势垒进行隧道效应。具体来说，该传感器由空心微球 (HMS)/CB/硅橡胶 (SR) 复合层顶部的铝箔组成（图 1a）。自然形成的 Al 2 O 3层非常薄（约 3 nm），[ 15 ]频率不敏感，[ 12 ]并且机械坚固。[ 15 ]同时，CB-Al 2 O 3 -Al界面处的肖特基效应建立了势垒，阻止电子隧道穿过Al 2 O 3薄介电层。通过采用这些措施，获得了纳米级电荷存储界面，UAC高达50 nF cm - 2，与其他绝缘介电层相比增加了近两个数量级。此外，通过在复合层中加入 HMS，在界面处同时构建了微观结构。这些空心半球在压缩过程中能够实现较大的接触面积变化（图 1b ），这有助于压力传感器在50 kPa的宽范围内实现高灵敏度（8.6 kPa -1）和宽线性响应（R 2 = 0.99）。这项研究为开发频率无关且机械/环境稳定的高 UAC 传感接口以及高灵敏度线性压力传感器提供了一条新途径，缩小了研究与实际应用之间的差距。

1.Chen, S. et al. Multimodal 5-DOF Stretchable Electromagnetic Actuators toward Haptic Information Delivery. Advanced Functional Materials n/a, 2314515.

在可通过一个设备触发多个机械皮肤感受器的可拉伸和轻型触觉界面的开发方面仍然存在显着差距。为了填补多模态和皮肤兼容触觉界面的空白，这项工作提出了一种基于电磁执行器的新型多模态可拉伸触觉界面（图 1b，c）。该执行器在一台设备中提供 3 模态和 5 DOF 触觉交互：正常模式（沿 z轴的 1-DOF 线性运动）、旋转剪切模式（围绕x轴和y轴的 2-DOF 角运动）和拖动模式（沿x轴和y轴的 2-DOF 线性运动）。执行器的战略性 5 自由度运动能够激发多个皮肤受体（例如 Pacinian、Merkel 和 Ruffini），以获得更全面的触觉。电磁执行器经过优化，可提供超出人类触觉感知阈值的足够刺激。此外，采用一种新颖的电场促进打印方法，实现软金属材料高保真、多层打印到电磁线圈中。由于所采用材料的优化结构设计和优异的机械性能，所报告的装置重量轻、紧凑，并且能够保持与皮肤弹性特性相容的拉伸应变的功能。

1.Gu, P. et al. Highly Stretchable Semiconducting Aerogel Films for High-Performance Flexible Electronics. Advanced Functional Materials n/a, 2400589.

我们报告了通过交联和模板方法结合单轴和双轴预拉伸策略制备的高可拉伸半导体聚合物基气凝胶薄膜。基于聚(3,4-乙撑二氧噻吩)的半导体气凝胶薄膜：聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)和聚(2,5-双(3-三乙二醇氧基噻吩-2-基)-共聚噻吩)(Pg2T-通过单轴预拉伸获得的T）表现出褶皱和折叠的多孔结构以及高达100-200%的高拉伸性。通过双向预拉伸获得的半导体气凝胶薄膜表现出卷曲和折返的多孔结构以及高达50%的高双向拉伸率。与相应的基于致密膜的OECT相比，基于半导体气凝胶膜的OECT表现出更高的开/关比和跨导、高拉伸性和优异的拉伸稳定性。我们证明，所得的 OECT 可用作可拉伸人工突触和用于检测多巴胺 (DA) 的高灵敏度可拉伸生物传感器。这项工作为高可拉伸气凝胶薄膜提供了一种通用策略，有望用于下一代高性能柔性电子产品。

1.Lei, P. et al. Bioinspired Integrated Multidimensional Sensor for Adaptive Grasping by Robotic Hands and Physical Movement Guidance. Advanced Functional Materials n/a, 2313787.

受HSS皮肤和肌肉的生理特征和结构的启发，仿生多维传感器包括位于中心的应变不敏感压力子传感器和位于顶部的两个正交堆叠的压力不敏感各向异性应变子传感器和制造了底部，其中每个子传感器可以独立响应三个正交轴之一的刺激分量，而不会相互干扰。压力子传感器由全向梯度皱纹聚氨酯导电薄膜和嵌入 MXene 的 ZnO 纳米线阵列 (ZOGW) 组成。在微小压力下，ZnO纳米线阵列的互锁导致接触面积急剧增加，有助于实现187.71 kPa -1的高灵敏度。由于具有梯度高度的皱纹薄膜通过逐渐激活接触皱纹来确保连续的接触面积变化，因此实现了宽传感范围（0-220 kPa）。此外，ZOGW压力子传感器的传感响应不受面内应变的干扰，并且表现出96％的应变不敏感性，因为面内应变下全向皱纹的单向展开导致ZOGW的结构变化可以忽略不计。应变子传感器由对齐的分段聚酰亚胺/聚氨酯导电薄膜 (AMSPP) 组成。由不同模量的聚酰亚胺和聚氨酯形成的链段结构在拉伸过程中提供了薄膜表面的异质应变分布，在0-80%的宽应变范围内实现了最大应变系数863.7。对齐的结构导致来自不同方向的面内应变发生不同的导电网络变化，从而产生各向异性传感特性和10.74的方向选择性。此外，AMSPP各向异性应变子传感器的传感响应不受正常压力的干扰，这是由电纺薄膜的固有结构决定的。受益于子传感器的各向异性传感特性，多维传感器被设计用于区分和测量多种刺激（面内应变、法向压力和剪切）的类型、大小和方向。最重要的是，建立了一个电响应库来定量评估剪切力，目前尚未有报道。此外，通过将多维传感器连接到机械手上，我们证明机械手可以在外部干扰下自动调节抓握力，从而稳定地抓取物体并避免打滑。而且，传感器能够通过输出电信号来检测不同的罚球动作，从而提高罚球命中率。总体而言，本研究提出的创新仿生微纳结构设计和系统架构构建有望为柔性电子器件的发展带来新的启发。