2023-8 柔性传感器领域的进展

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[1]S. Honda, R. Tanaka, G. Matsumura, N. Seimiya, and K. Takei, “Wireless, Flexible, Ionic, Perspiration-Rate Sensor System with Long-Time and High Sweat Volume Functions Toward Early-Stage, Real-Time Detection of Dehydration,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2306516, Aug. 2023, doi: 10.1002/adfm.202306516.

传感技术的创新有助于舒适、便捷、健康的生活方式，智能自我保健鼓励人们积极主动地进行早期疾病预防。这种个人实时监测健康状况的趋势可能最终导致疾病的自我诊断。为了实现这一目标，多模式、可穿戴传感器系统是必不可少的技术。[ 1 - 3 ]附着在皮肤上的可穿戴传感器可以检测生物信息[ 1 ]例如皮肤温度、[ 4、5 ]心脏性能（心电图）、[ 6 -8 ]呼吸，[ 9 , 10 ]排汗，[ 11 - 13 ]和汗液中的化学物质[ 14 - 19 ]实时监测。与传统的个人使用的医疗设备不同，连续的实时生物信息可以跟踪生物参数的节律。汗液中的化学物质含有大量有关电解质、代谢物、pH、尿酸和氨基酸等的信息，作为生物标志物提供了有价值的见解。[ 20 - 25 ]汗液是一种有吸引力的生物液体，因为与血液不同，它可以无创地获取，用于连续、实时监测。

设计了一种无线、可穿戴、集成传感器系统（图 1a）。出汗率和离子传感器集成在聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 薄膜上（图 1b）。流体通道由三部分组成：顶部流体通道，用于收集和释放汗液；腔室连接部，用于形成和排出汗滴；底部通道，包含滤纸，用于快速排出汗液。在顶部流体通道中，集成了一对用于阻抗感测的碳电极和一个用于排汗率感测的碳电极。另一个用于排汗率传感的碳电极形成在底部通道中。释放的液滴被滤纸吸收，并通过毛细管作用和蒸发迅速排出到外部。这种配置的重要特征是腔室连接处和形状，它将连续流转化为恒定体积的液滴，并促进液滴的快速吸收。通过计数和测量顶部和底部通道中炭黑 (CB) 电极之间的液滴电阻来确定出汗量。由于汗液的导电性，当液滴从腔室移动到滤纸时可以测量电阻。出汗率可以通过测量水滴之间的时间间隔来计算，因为水滴体积几乎是恒定的，由流体通道和腔室设计定义。

[2]G. Ye, D. Song, J. Song, Y. Zhao, and N. Liu, “A Fully Biodegradable and Biocompatible Ionotronic Skin for Transient Electronics,” Adv Funct Materials, p. 2303990, Aug. 2023, doi: 10.1002/adfm.202303990.

基于双网络天然聚电解质衍生物设计了一种完全可生物降解、生物相容性和高导电性的离子电子皮肤材料。一个网络由通过氢键连接的羧化壳聚糖（CCS）组成，另一个网络由通过静电引力交联的聚合磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）组成。共混体系中的甘油和水还提供了丰富的氢键位点，改善了交联并使整个网络更具内聚力（即SBMA X -CCS Y -Gly z）。合成的皮肤材料表现出快速的生物降解性，在室温下的磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 中仅 3 天即可完全降解。加上其生物相容性、高离子电导率和良好的皮肤顺应性，能够准确检测电生理信号，并在短短3天内完全降解，无任何残留，在电生理瞬态测量中显示出巨大的潜力。我们设计这种可生物降解和生物相容性材料的策略将为可穿戴和植入式电子产品走向高节能和高效率铺平道路。

[3]M. Lu et al., “A Skin-Bioinspired Urchin-Like Microstructure-Contained Photothermal-Therapy Flexible Electronics for Ultrasensitive Human-Interactive Sensing,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2306591, Aug. 2023, doi: 10.1002/adfm.202306591.

受高度敏感的人体皮肤微结构的启发，提出了一种简单的策略，通过面对面组装 PBAPU 弹性体基质和以天然菊花花粉粒微结构为模板的 MXene 纳米片涂层海胆状微结构来制造柔性舒适的多功能电子器件，以及叉指电极涂覆的 PBAPU 弹性体基板，用于人体运动监测以及具有高灵敏度和宽感应范围的微小电生理信号检测（方案 1）。以聚己二酸丁二醇酯（PBA）为软段、4,4-二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）为硬段、1,4-丁二醇（BDO）为扩链剂成功制备出PBAPU弹性体基体，表现出优异的拉伸强度（18.87 MPa），高拉伸性（1190%），弹性模量（1.7 MPa）与人体皮肤相当。组装后的柔性电子传感器表现出高灵敏度（高达 784.02 kPa −1）、宽广的传感范围（高达300 kPa）、较低的传感极限（0.12 Pa）、快速的响应时间（11 ms）以及在人体运动监测（如肘部弯曲和咬合）和微小电生理信号检测中可靠的循环稳定性（例如肌电图（EMG）和心电图（ECG）传感信号）。此外，MXene纳米片涂覆的海胆状微结构包含的PBAPU弹性体基体可以提供可靠的光热能力和快速加热速率（在近红外光功率密度为0.50 W cm -2 下，从室温到53.1 °C在约80 s内））、可控的温度调节和优异的光热稳定性，用于长期健康传感诊断和按需及时治疗关节炎。它为设计和制备具有可靠传感能力和高效光热治疗性能的多功能柔性电子器件，用于潜在的健康诊断传感和医疗铺平了道路，在智能电子皮肤、智能人机交互和个性化健康监测方面展现出巨大潜力。

[4]W. Liu et al., “An Intelligent Robotic System Capable of Sensing and Describing Objects Based on Bimodal, Self-Powered Flexible Sensors,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2306368, doi: 10.1002/adfm.202306368.

这项研究提出了一种智能软机器人系统，能够根据物体的物理特性感知、描述和分类物体。这项工作介绍了一种基于摩擦纳米发电机和巨磁弹性效应的双模自供电柔性传感器（BSFS）。BSFS 具有简化的结构，包括磁弹性导电薄膜和封装的液态金属线圈。BSFS可以精确检测和区分非接触式和触觉模型，响应时间为10毫秒。通过将 BSFS 无缝集成到软手指中，本研究实现了具有卓越多模态感知能力的拟人软机器人手。非接触式信号提供了对物体形状和材料成分的宝贵见解，而触觉信号则提供了有关表面粗糙度的精确信息。这项研究利用卷积神经网络（CNN）整合所有传感信息，形成一个智能软机器人系统，可以根据物体的物理属性（包括材料、表面粗糙度和形状）准确描述物体，准确率高达 97 %。这项研究可能为具有解释物理世界并与物理世界交互的能力的通用人工智能硬件奠定机器人基础，同时也充当人工智能和软机器人之间的接口。

[4]J. Qu et al., “Recent Progress in Advanced Tactile Sensing Technologies for Soft Grippers,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2306249, doi: 10.1002/adfm.202306249.

This is a review regarding the tactile sensing for soft gripper.

触觉传感技术对于软夹具至关重要。配备基于各种传感器的智能触觉传感系统的软抓手可以与非结构化环境安全地交互并获得物体的精确属性（例如尺寸和形状）。为软抓手开发最先进的传感技术来处理不同的抓取任务至关重要。在这篇综述中，首先介绍了机器人手触觉传感技术的发展。然后，介绍了软夹具中通常采用的不同类型传感器的原理和结构，包括电容式触觉传感器、压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器、光纤布拉格光栅（FBG）传感器、基于视觉的触觉传感器、摩擦电触觉传感器等简要介绍了最近开发的先进传感器。此外，还从力测量、物体属性感知、滑动检测和感知融合等方面描述了软抓手的传感模式和方法。基于这些先进的传感技术，还总结了软夹具的应用场景。最后，讨论了软夹具触觉传感技术需要解决的挑战，并指出了解决这些挑战的观点。

[5]J. Li et al., “High Performance Bacterial Cellulose Organogel-Based Thermoelectrochemical Cells by Organic Solvent-Driven Crystallization for Body Heat Harvest and Self-Powered Wearable Strain Sensors,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2306509, doi: 10.1002/adfm.202306509.

本文中设计并制造了一种采用BC有机凝胶TEC的自供电应变传感器。通过将氧化还原对K 4 Fe(CN) 6 /K 3 Fe(CN) 6引入溶解的再生BC水凝胶中获得TEC 。丙二醇（PG）驱动的K 4 Fe(CN) 6逐渐结晶不仅提高了BC水凝胶的机械性能，而且显着增强了TEC的热电性能（ Se从1.27增加到2.30 mV K -1）。它充分展示了基于BC有机凝胶的TEC作为灵活自充电电源的潜力。此外，由于BC有机凝胶基质表现出高压缩性和拉伸性能，因此本文报道的基于BC有机凝胶的TEC对人体运动引起的应变相应敏感。因此，我们将基于热电偶效应的优异的低品位热能转换特性与独特设计的应变传感能力相结合，开发并演示了一种基于BC有机凝胶TEC的自供电柔性应变传感器，这提供了一种可行的策略。开发可靠、高效的自充电可穿戴电子产品。

[6]Y. Guo et al., “Multifunctional Hydrogel Sensor with Curved Macro Cracks: A Strategy for High Sensitivity and Wide Detection Range,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2306820, doi: 10.1002/adfm.202306820.

简单设备中的多重传感，但具有高灵敏度和大检测范围，对于软机器来说是理想的。基于块状离子水凝胶电阻变化的可拉伸传感器本质上受到功能单一和小变形时灵敏度低的限制。在这里，提出了一种由高度破裂的水凝胶（HCHG）实现的设计，该水凝胶对大范围的拉伸应变、弯曲和触觉力非常敏感。该机制依赖于当预切弯曲裂纹被外部负载闭合/打开时，流动离子电流的横截面积的连续急剧变化。水凝胶的高断裂韧性可抑制裂纹扩展，从而使传感变得稳健。通过设计裂纹模式，0-20% 拉伸应变和 0.45 kPa -1的灵敏度为 80以获得触觉力。与由块状水凝胶制成的传感器相比，灵敏度分别提高了两个和三个数量级，同时保持了可检测的应变范围（高达215％）。还开发了夹层设计来区分伸长、压缩和弯曲。展示了 HCHG 传感器在操纵机械臂和通过软夹具无损抓取更柔软的物体方面的应用。

[7]R. Han et al., “High Anti-Jamming Flexible Capacitive Pressure Sensors Based on Core–Shell Structured AgNWs@TiO2,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2305531, doi: 10.1002/adfm.202305531.

本文开发了一种基于三相复合材料的 AJ 柔性电容式压力传感器，用于智能手套传感系统。首先，聚偏氟乙烯（PVDF）作为柔性基体，由于其明显的铁电特性、分子链内C─F键的强极性以及偶极子的自发排列而表现出高介电常数。其次，在PVDF基体中引入一定量的银纳米线（AgNWs），通过绝缘聚合物基体中导电颗粒的渗流作用进一步提高介电常数。第三，为了减弱PVDF和AgNW之间的界面电失配以及复合材料中的电渗流转变，通过接枝TiO 2构建了核壳结构作为 AgNW 表面的缓冲层。结果，PVDF@AgNWs@TiO 2薄膜的初始电容和介电常数均为纯PVDF薄膜的约1.5倍。此外，介电常数、介电损耗和击穿强度之间达到适当的平衡，这对于制备具有高综合性能的纳米复合材料至关重要。在此基础上，采用PVDF@AgNWs@TiO 2薄膜作为介电层集成了AJ电容式压力传感器，通过在各种模拟自然环境中的激励验证了其AJ能力，并与介电层常用的柔性高分子材料进行了比较。此外，该装置还表现出 0.0012 kPa −1的高灵敏度1500 kPa 以内的超宽传感范围以及在嘈杂环境下超稳定的加载-卸载循环超过 33 000 次。最后，通过与后端电路系统集成，开发了一种可通过蓝牙无线传输的人机交互系统和智能手套传感系统，为柔性AJ电容式压力传感器的开发提供了新的思路。

[8]H. Ju, B. Cha, D. Rus, and J. Lee, “Closed-Loop Soft Robot Control Frameworks with Coordinated Policies Based on Reinforcement Learning and Proprioceptive Self-Sensing,” Advanced Functional Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2304642, doi: 10.1002/adfm.202304642.

软机器人的最新进展是通过使用柔顺材料并利用生物体软结构设计的优势而取得的。生物体（理论上具有无限的自由度）不仅在机械上柔软，而且由于全局协调以及局部组织的个体感知和控制，能够进行平滑的谐波运动。尽管结构设计有所改进，但针对全局面向对象行为的软机器人控制框架的报道却很少。这样的框架将需要使用多个部分，并使用协调政策进行本地感知和独立控制。这里提出了一类基于强化学习的软机器人（高自由度）控制框架，并展示了它们执行全局任务的能力。基于局部本体感觉自感知能力，制定协调控制策略来控制具有独立可控嵌入式执行器的多个部分。该控制框架用于开发软物理机器人。演示和实验包括多通道软机器人扁虫的向前和向后运动。正如光敏运动实验所证明的那样，这种方法适用于多功能、高自由度的软机器人。演示和实验包括多通道软机器人扁虫的向前和向后运动。正如光敏运动实验所证明的那样，这种方法适用于多功能、高自由度的软机器人。演示和实验包括多通道软机器人扁虫的向前和向后运动。正如光敏运动实验所证明的那样，这种方法适用于多功能、高自由度的软机器人。