柔性傳感器引領智能感知時代

自然界中的很多生物都具有感知系統(tǒng)，用于識別光、聲音、生物化學分子等信息來感知環(huán)境。師法自然，人類制作各種傳感器，給工業(yè)設備裝上“眼睛”“鼻子”或“耳朵”。借助傳感器獨特的物理特性，高效、準確、實時獲取外界環(huán)境、身體狀況等信息，增強感知自然的能力，更好地與環(huán)境交互，從而提高人類的生活質量。

傳感器的發(fā)展

在漫長的歷史長河中，人類文明中第一個記錄在冊的傳感器要追溯到2000多年前，拜占庭人斐羅（Philo）發(fā)明的測溫儀。東漢時期，我國的科學家張衡（公元132年）發(fā)明了地動儀，用于監(jiān)測地震發(fā)生的概率并判斷地震發(fā)生的大致方向。這些早期時代的傳感器主要將不易觀察的物理量或事件轉化為容易觀測的機械輸出。第二次工業(yè)革命以來，隨著對電的利用和發(fā)電機的發(fā)明，傳感器能夠將物理參數轉化為電信號，從而實現控制功能。例如，約翰遜（W. S. Johnson）在1883年發(fā)明的電動遙控測溫器，不僅可以監(jiān)測環(huán)境溫度，還具有自動溫度控制系統(tǒng)。而在電子工業(yè)促進了傳感器及其他電子元件的小型化和集成化后，智能手機和智能手表等智能設備由此產生，它們一般具有幾十到上百個傳感器，為用戶提供了良好的使用體驗。近年來，隨著物聯網、工業(yè)4.0、大數據、人工智能、機器人和數字健康等技術和概念的發(fā)展，傳感器變得更加互聯與智能[1]。其中有代表性的就是自動駕駛：智能汽車中嵌入了大量傳感器，通過無線連接實現自適應的自動駕駛技術。

在數字時代，數據交互的高效連通與決策很大程度上依賴于高質量的大數據。而將真實世界中的物理特征轉化為數字數據就是傳感器在數字化轉型中的基本作用。然而，傳統(tǒng)的傳感器技術通常無法實現如此大規(guī)模的監(jiān)測。隨著電子設備的高度集成化和小型化，現代傳感器作為智能電子和機器的重要組成部分，充分發(fā)揮其作用。但小而剛的特性限制了它們在許多領域中的使用，如可穿戴醫(yī)療設備、交互式機器人、智能包裝等。在這種應用需求下，柔性傳感器應運而生。

柔性傳感器

柔性傳感器一般由具有一定延展性的材料制成，并且不改變材料特性。按照柔性機理，材料大致可以分為兩大類：一是基于材料本征特性的柔性材料，這類材料在分子層面就具備了良好的柔韌性，如高分子聚合物（如有機橡膠）和某些特殊聚合物（如聚氨酯泡沫），它們的分子鏈結構靈活，相互作用力適中，使得整體材料能夠在不失去結構完整性的前提下發(fā)生顯著的形變；二是通過結構設計或復合技術實現的柔性材料，這類材料本身可能并不具備顯著的柔性，但通過精巧的幾何結構設計（如紡織材料的編織方式）、層疊復合（如多層薄膜結構）或微納加工技術（如納米線陣列），使得整體結構在宏觀上展現出良好的柔韌性。這兩大類材料共同構成了柔性傳感器的基礎，為其在可穿戴設備、健康監(jiān)測、軟體機器人等領域的廣泛應用提供了可能性。

與非柔性傳感器相比，柔性傳感器具有諸多突出優(yōu)勢，使其成為大多數可穿戴傳感系統(tǒng)的更好選擇：①具有高柔韌性、可彎曲性和可折疊性，能夠測量動態(tài)或形狀變化的物體和大面積非平坦的表面；②基礎材料價格低廉，并且能夠通過印刷等大規(guī)模制造工藝生產，具有大規(guī)模部署的經濟可行性；③使用輕質的有機材料并在結構設計上傾向于薄膜形態(tài)，柔性傳感器重量更輕，有利于大規(guī)模集成、分布與應用；④可以使用具有可回收性和生物降解性的有機材料制作，能夠更環(huán)保地生產和處理，并解決電子廢物問題。根據所感知的物理量不同，大致可以分為以下幾類。

應變傳感器

應變是指物體受到外力作用時發(fā)生的微小形變。應變傳感器表面一般覆蓋著應變敏感元件，當受力變形時，傳感器上的敏感元件會產生應變，導致其電阻、電容或壓電等物理性質隨之改變，將機械變形轉化為電信號，從而推斷出傳感器受到的應變大小。

壓力傳感器

壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理電路組成，能夠將壓力轉化為電信號輸出。當受到壓力作用時，敏感元件的電阻、電壓或電容等物理性質會發(fā)生變化，這種變化被信號處理電路捕獲并轉換成相應的電信號。

溫度傳感器

溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式兩大類。非接觸式溫度傳感器的原理是基于測量加熱體熱能的輻射，通常不在柔性襯底上進行。接觸式溫度傳感器可以進一步分為兩類：電和非電。非電接觸式利用固體、液體和氣體的物理性質的變化來表示溫度；電接觸傳感器隨溫度改變其電學性能。大多數柔性溫度傳感器都屬于電接觸式，電阻、電容、熱釋電、熱電都是可行的原理。

磁性傳感器

磁性傳感器通常由堆疊在柔性基板上的薄膜材料制成?，F已開發(fā)出基于巨磁阻、各向異性磁阻、霍爾傳感器、自旋閥、隧道磁阻和磁阻抗的柔性磁傳感器。當磁性傳感器中磁性材料暴露在磁場中時，會受到磁場力的作用，產生霍爾效應、引起磁導率等物理性質的變化。傳感器捕捉這些變化便可測量磁場的強度和方向。

光傳感器

光傳感器通過測量輻射能產生指示光強度的輸出信號。輻射能存在于一個相對特定的頻率區(qū)間內，我們通常將這一區(qū)間內的輻射稱為“光”。光的頻率范圍廣泛，涵蓋了頻率較低的紅外光、可見光和頻率較高的紫外光。光傳感器就將這種光信號轉換為電信號輸出。光傳感器分為兩大類，一類能夠在照明條件下顯著改變其電流或電壓輸出，從而直接產生電力，如光伏傳感器和光電發(fā)射器件；另一類是通過光照以某種方式改變其電氣特性，從而實現對光信號的檢測，例如光敏電阻和光電晶體管。

化學傳感器

化學傳感器是一類特殊的傳感器，用于檢測化學物質的存在及濃度。傳感器元件由特定的感測材料制成，這些材料的目標化學物質具有高度選擇性。當目標化學物質與感測材料接觸時，會發(fā)生特定的化學反應，并產生一個可測量的信號。

研發(fā)生物醫(yī)學設備，護航生命健康

近年來，隨著社會經濟的蓬勃發(fā)展和人民生活質量的持續(xù)提升，公眾的健康意識逐漸覺醒，對健康的關注度顯著提高。與此同時，慢性病及其他健康問題的頻發(fā)，成為社會廣泛關注的焦點，深深牽動著每個人的心。然而，這一現狀卻面臨著醫(yī)療資源相對稀缺與長期治療費用高昂的雙重挑戰(zhàn)。柔性傳感器的應用為健康監(jiān)測領域帶來了革命性的變革，它不僅能夠實現便捷、精準的健康數據收集，還能顯著降低監(jiān)測成本，從而極大地緩解了醫(yī)療資源緊張的問題，有力護航人們的生命健康。

腦動脈瘤監(jiān)測

腦動脈瘤是顱內的一顆定時炸彈，一旦破裂會造成顱內出血，具有相當高的致死率，因此對患者進行實時監(jiān)測至關重要。但由于許多被診斷為動脈瘤的患者在動脈瘤破裂前沒有出現相關癥狀，醫(yī)生大多選擇在干預前采取觀望態(tài)度，這往往會導致患者錯過最佳搶救時間，帶來不可挽回的后果。并且，目前衡量動脈瘤嚴重程度的主要方法是對患者進行血管造影，存在一定的輻射危害。

將一種依靠氣溶膠3D打印出的柔性傳感器包裹在支架或分流器上，以導管的形式植入患者關鍵血管內，控制其中的血流速度，可以降低動脈瘤破裂的可能性，或可在破裂后爭取寶貴的搶救時間[2]。

血氧含量監(jiān)測

外周動脈疾病是一種常見的心血管疾病，全球患者超過2億，有著高致殘率和死亡率。目前臨床診斷主要依靠踝肱指數測量和計算機斷層掃描血管造影。踝肱指數是一種通過測量下肢血壓推斷血氧水平的簡單方法，因此經常發(fā)生誤診，需要輔以計算機斷層掃描血管造影來矯正結果。這些檢測只能在醫(yī)院由專業(yè)培訓的醫(yī)生做，存在單次性、價格昂貴的問題。基于近紅外發(fā)光二極管和探測器構成的柔性光電生物傳感器，能夠貼膚實時監(jiān)測腦氧飽和度、心率、動脈血氧等多種生命體征，可以準確評估外周動脈疾病患者的下肢氧分壓，顛覆性地改變目前主要臨床診斷依賴的踝肱指數，并修正踝肱指數誤診結論[3]。

運動姿勢優(yōu)化

采取和保持正確的運動姿勢對專業(yè)運動員取得良好成績、保護身體安全有著極其重要的意義。2021年，我國短跑健將蘇炳添與合作者的研究肯定了柔性電子、光電可穿戴傳感器在指導科學訓練中的價值[4]。柔性傳感器可以集成到運動員絲質衣物、背帶甚至襪子中，跟蹤他們的運動序列，識別運動中腿部受到的壓力等，教練可以據此糾正運動員的姿勢以提高成績。

聚焦智能設計，提高生活水平

在物聯網和人工智能的發(fā)展下，人們對于高科技產品的需求也日益增加。柔性傳感器被廣泛應用于各種智能產品中，讓我們的生活更加便捷舒適，帶來了科技改變生活的新體驗。

食品保質

民以食為天，食品安全問題一直是人們關注的重點問題。許多人嚴格遵守食品包裝袋上的保質期，一旦食品過了保質期，就將它立刻丟棄，但這個食品可能仍然可以安全食用。相反，因為儲存方式不當等原因，有些仍在保質期內的食品或許早已變質。這意味著食品保質期并不是那么的精確。現在已經設計出一款用柔性導電油墨制成的氣體傳感器，將其打印在食品包裝袋上，可以監(jiān)測包裝內二氧化碳、氨氣等氣體的含量，從而讓人們對食品的安全狀況有著更加充分的了解，可以更有信心地吃掉一些稍微過期的食品，而不是扔掉它們[5]。

智能紡織品

智能紡織品市場正逐漸成為全球經濟增長的新引擎。未來十年內，在物聯網、人工智能的飛速發(fā)展下，智能紡織品會徹底改變人們的生活。柔性傳感器和電路的可拉伸性和可彎曲性使它們成為紡織品集成的理想選擇。理想的智能紡織品是一個集傳感、數據處理、執(zhí)行、存儲和通信等功能為一體的計算系統(tǒng)。以此設計出的智能紡織品能夠感應外部條件，監(jiān)測其對人體或環(huán)境的影響。人體運動檢測、醫(yī)療與保健、能量收集和環(huán)境監(jiān)測領域都將有它的一席之地[6]。

推動人機交互

人機交互是人工智能時代的重要基礎，如何加強機器對人類的理解是人機交互的重要問題之一。如果機器能夠像人類一樣，可以通過觸摸來感知情感表達，這將使人機交互變得更加自然與豐富。借助柔性電子皮膚，信號采集系統(tǒng)能夠高頻地讀出電子皮膚壓力傳感器陣列的輸出，實時捕捉觸摸到的時間維度特征。并通過深度神經網絡從觸摸的空間、力學和時間維度中學習特征和模式，實現社交觸摸情感識別。

結語與展望

隨著柔性傳感器技術的快速發(fā)展，我們正逐步進入一個全新的智能感知時代。柔性傳感器以其獨特的柔韌性和廣泛的適用性，正深刻改變著我們對物理世界的感知方式，也在無形中改變了我們與電子設備和周邊環(huán)境的交互方式。

未來，柔性傳感器技術也將在更多領域發(fā)揮巨大潛力，其在醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測、智能家居以及工業(yè)自動化等領域的應用，將推動我們進入一個更加智能、高效、人性化的新時代。

[1]Han S T， Peng H， Sun Q， et al. An overview of the development of flexible sensors.Advanced Materials， 2017， 29（33）： 1700375.1-1700375.22.

[2]Xin M， Yu T， Pan L J， et al. Multi-vital on-skin optoelectronic biosensor for assessing regional tissue hemodynamics. SmartMat， 2022， 4（3）： e1157.

[3]Herbert R， Lim H R， Rigo B， et al. Fully implantable wireless batteryless vascular electronics with printed soft sensors for multiplex sensing of hemodynamics. Science Advances， 2022， 8（19）： eabm1175.

[4]蘇炳添， 李健良， 徐慧華， 等. 科學訓練輔助： 柔性可穿戴傳感器運動監(jiān)測應用. 中國科學： 信息科學， 2022， 52（01）： 54-74.

[5]Si L Y， Wei T， Chen S J， et al. Flexible organic polymer gas sensor and system integration for smart packaging. Advanced Sensor Research， 2023， 2（11）.

[6]Shi Y Q， Zhang Z Y， Huang Q Y， et al. Wearable sweat biosensors on textiles for health monitoring. Journal of Semiconductors， 2023， 44（2）.

關鍵詞：柔性傳感器 可穿戴設備 健康監(jiān)測 ■