隨著柔性電子學、材料科學及微納加工技術(shù)發(fā)展,柔性/可穿戴電子技術(shù)近年來成為電子器件研究的重要領(lǐng)域。其中,能夠?qū)崿F(xiàn)對外界信號精確感知的高性能柔性可延展傳感器是其中的基礎(chǔ)性核心元器件之一。由于具有良好曲面共形特征及輕、柔、韌等特性,柔性傳感器在人機交互、智能機器人、人工智能、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)測及運動健康等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,科研人員們在柔性電子器件研究中做出了很多創(chuàng)新性的工作,且該領(lǐng)域吸引了越來越多研究者的關(guān)注。中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員課題組與合作團隊在納米智能材料、仿生微納結(jié)構(gòu)、柔性可延展傳感器件及其智能系統(tǒng)方面取得了系列研究進展,并實現(xiàn)了柔性微納傳感器的工程化、印刷批量制造與部分專利技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,受到國際國內(nèi)同行的關(guān)注(代表性的論文如下:Adv. Mater., 2014, 26, 1336、Adv. Mater., 2015, 27, 1370、Sci. Adv., 2016, 2(7), e1600209、Nano Lett., 2017, 17(1), 355、Adv. Sci., 2017, 4, 1600404、Small, 2017, 1602790、Nano Res., 2017, 10(8): 2683、Adv. Mater., 2017, 29, 1702517、Anal. Chem., 2017, 89, 10224、Adv. Sci., 2018,5, 1800558、Energy Storage Mater., 2018, 15, 315、Small, 2018, 14(36), 1703902)。
面向特定應(yīng)用場景的需求,柔性傳感器須滿足高靈敏度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時間和長工作壽命等要求。迄今,人們發(fā)展了多種手段來提高柔性傳感器的綜合性能,包括敏感材料合成及器件設(shè)計制備等,但這些手段通常都是基于現(xiàn)有復雜的加工手段及材料合成方法,存在一定的局限性。“仿生”是科學技術(shù)研究中重要的理念與方法之一,在自然界中,經(jīng)過千百萬年演變與進化,各種生物體都能通過其獨特的型狀與功能實現(xiàn)對生存環(huán)境的適應(yīng)。例如,蜘蛛可通過腿部皮膚裂紋微結(jié)構(gòu)高靈敏地感知地面微振動而實現(xiàn)遠距離探測,變色龍/章魚等能通過感知外界光線變化而改變皮膚色彩來進行偽裝保護等。因此,通過向自然學習,對生物界存在的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)進行“模仿”和創(chuàng)新,發(fā)展以類似趨生物性的方式對外界多重物理、化學信息實時精確感知的仿生傳感器件,為新型電子器件統(tǒng)的設(shè)計與傳感技術(shù)的發(fā)展提供豐富的思路和方法,表現(xiàn)出人工智能特性,并拓寬探測技術(shù)的應(yīng)用范圍。
近日,中國科學院蘇州納米所張珽研究員課題組受Accounts of Chemical Research期刊的邀請,發(fā)表了題為“Materials, Structures, and Functions for Flexible and Stretchable Biomimetic Sensors”的綜述文章,闡述了本課題組和相關(guān)團隊最近幾年在柔性仿生傳感器領(lǐng)域的研究工作,體現(xiàn)了仿生柔性傳感器技術(shù)是實現(xiàn)“(機器)人-信息-物理系統(tǒng)”高效融合的重要途徑(圖1),并展望了該研究領(lǐng)域存在的問題和發(fā)展方向。(Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288-296,Inside Cover,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00497)
圖1、仿生柔性傳感器綜述發(fā)表于Accounts of Chemical Research (2019, 52, 288-296, Inside Cover)
皮膚組織是生物體最大的感知器官,具有力學、溫濕度、觸覺等多種綜合感知能力,作者從最具代表性的柔性仿生傳感器-仿生“電子皮膚(Electronic skin)”出發(fā),首先分析指出通過構(gòu)建具有特殊功能或復合性能的新型敏感材料,能賦予傳感器多功能的感知能力。例如,通過吸附水(Bound water)的吸脫附,敏感高分子膜能實現(xiàn)光、濕度雙重響應(yīng)同時通過材料形變來將信號響應(yīng)“可視化”。另外,通過多功能材料設(shè)計制備能賦予器件特殊性能,例如,利用蠶絲(Silk)等天然物質(zhì)或可降解材料構(gòu)筑生物相容或可溶解傳感器、利用聚合物氫鍵作用機理的具有類“皮膚”自修復功能的柔性傳感器、基于超疏水能力智能涂層的多功能可拉伸傳感器等。同時,分析指出通過設(shè)計和構(gòu)筑多種仿生微納敏感結(jié)構(gòu)來提升柔性傳感器性能。例如,通過對自然界中動物(蜘蛛等)、植物(荷葉、花瓣等)中仿生微納結(jié)構(gòu)的復形,構(gòu)筑了能實現(xiàn)寬的感知范圍或選擇性方向響應(yīng)特性的柔性傳感器(圖2a-b);基于仿織物條紋微納結(jié)構(gòu)組裝的柔性器件(圖2d),能實現(xiàn)對微小壓力(0.6 Pa)的快速響應(yīng)(10 ms);通過對自然界中自不穩(wěn)定態(tài)(Instabilities,如波浪、云層、沙丘等)的模仿,可實現(xiàn)柔性傳感器高延展性;采用預應(yīng)力拉伸方法所組裝的具有“wave”結(jié)構(gòu)的一維纖維狀/二維平面狀柔性器件具備超延展(最大>1000 %拉伸形變)的特性(圖2c)。通過柔性器件與異形曲面如人體器官等表界面的緊密貼合,進一步拓寬了柔性傳感器件在人體、輕量化裝備等方面的應(yīng)用。
圖2、基于(a)納米碳材料裂紋結(jié)構(gòu)、(b)荷葉表面微納結(jié)構(gòu)、(c)“wave”延展結(jié)構(gòu)、(d)織物微納結(jié)構(gòu)組裝的仿生柔性傳感器。
生物體尤其是人體的五官(觸覺、聽覺、嗅覺、視覺及味覺),是實現(xiàn)其對外界信息感知與交互的重要基礎(chǔ)性功能。張珽研究團隊從生物體感官功能角度出發(fā),構(gòu)建了多種新型柔性仿生器件的設(shè)計構(gòu)建,如柔性仿生電子皮膚傳感器(E-skin)、柔性仿生指紋結(jié)構(gòu)傳感器(Electronic Fingerprint)、和柔性仿生電子耳膜(Electronic Eardrum)等(圖3),實現(xiàn)了對脈搏、心跳及血管微壓的高靈敏檢測(圖3a),對表面剪切力、織物條紋及盲文字母的精確檢測(圖3b),以及對寬頻振動信號(20-13000 Hz)的高信噪比(~55 dB)、高穩(wěn)定響應(yīng)(150000 cycles)(圖3c)。結(jié)合課題組研制的微納氣體傳感器(嗅覺)及可穿戴汗液傳感器(味覺)等,類皮膚多參數(shù)感知特性的多功能柔性傳感器系統(tǒng)將逐漸成為現(xiàn)實,未來將賦予仿生機器人等系統(tǒng)更加“智能”的類生物器官感知功能。
圖3、(a)柔性仿生電子皮膚傳感器(“E-skin”);(b)柔性仿生指紋傳感器(“Electronic fingerprint”);(c)柔性振動傳感器-“電子耳膜(Electronic eardrum)”
張珽研究員從材料設(shè)計、系統(tǒng)集成及應(yīng)用場景角度展望了該領(lǐng)域未來發(fā)展方向,如通過將形狀記憶合金材料、金屬有機框架材料及非傳統(tǒng)的分子機器、細胞有機體等引入器件設(shè)計之中,開發(fā)具有新的仿生物體功能的柔性傳感器件;及通過系統(tǒng)設(shè)計,構(gòu)筑輕量化仿生魚、仿生鳥等智能柔性傳感-驅(qū)動一體化系統(tǒng)等。希望以上的研究工作和展望對推動下一代智能納米材料、新型仿生柔性傳感器及其智能系統(tǒng)的研究提供一些思路。
上述工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金,江蘇省杰出青年基金和中國博后基金等支持。文章的第一作者為李鐵博士,碩士研究生李玥參與該工作。
論文鏈接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.accounts.8b00497
- 濟南大學王鵬/浙理工孟垂舟等 AFM:具有高響應(yīng)速度與高穩(wěn)定性的柔性溫度傳感器 2025-07-15
- 南方科技大學郭傳飛教授團隊 Matter:柔性傳感器界面再突破 - 超細微柱賦能強韌粘接與高靈敏感知 2025-07-01
- 華科大吳豪等 Sci. Adv.:可重復使用柔性電子系統(tǒng)用于醫(yī)療健康監(jiān)測 2025-06-26
- 太原理工大學張東光團隊 AFM:無沉降液態(tài)金屬柔性仿生傳感器 2022-12-08
- 南洋理工大學《AFM》:在高度可拉伸的仿生感覺神經(jīng)器件取得新進展 2021-04-13