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柔性傳感器以其獨(dú)特的柔韌性和可變形能力，正悄然改變著我們的生活。從智能穿戴到健康監(jiān)測，再到軟體機(jī)器人，柔性傳感器無處不在。它們不僅讓設(shè)備更加貼近人體，更在無形中提升了我們的生活品質(zhì)。柔性傳感器究竟有哪些神奇之處?讓我們一起揭秘。

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(xué)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(shè)備裝上“眼睛” “鼻子”或“耳朵”。借助傳感器獨(dú)特的物理特性，高效、準(zhǔn)確、實時獲取外界環(huán)境、身體狀況等信息，增強(qiáng)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(zhì)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(xué)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(zhuǎn)化為容易觀測的機(jī)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(jī)的發(fā)明，傳感器能夠?qū)⑽锢韰?shù)轉(zhuǎn)化為電信號，從而實現(xiàn)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(jìn)了傳感器及其他電子元件的小型化和集成化后，智能手機(jī)和智能手表等智能設(shè)備由此產(chǎn)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(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人和數(shù)字健康等技術(shù)和概念的發(fā)展，傳感器變得更加互聯(lián)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(xiàn)自適應(yīng)的自動駕駛技術(shù)。

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斐羅發(fā)明的測溫儀示意圖由水壺、細(xì)管和密閉空鉛球三部分組成。通過鉛球內(nèi)氣體的熱脹冷縮，觀察細(xì)管內(nèi)的水位可感知溫度的變化。

在數(shù)字時代，數(shù)據(jù)交互的高效連通與決策很大程度上依賴于高質(zhì)量的大數(shù)據(jù)。而將真實世界中的物理特征轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)就是傳感器在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的基本作用。然而，傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)通常無法實現(xiàn)如此大規(guī)模的監(jiān)測。隨著電子設(shè)備的高度集成化和小型化，現(xiàn)代傳感器作為智能電子和機(jī)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(lǐng)域中的使用，如可穿戴醫(yī)療設(shè)備、交互式機(jī)器人、智能包裝等。在這種應(yīng)用需求下，柔性傳感器應(yīng)運(yùn)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(jī)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(jī)橡膠)和某些特殊聚合物(如聚氨酯泡沫)，它們的分子鏈結(jié)構(gòu)靈活，相互作用力適中，使得整體材料能夠在不失去結(jié)構(gòu)完整性的前提下發(fā)生顯著的形變;二是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計或復(fù)合技術(shù)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(如紡織材料的編織方式)、層疊復(fù)合(如多層薄膜結(jié)構(gòu))或微納加工技術(shù)(如納米線陣列)，使得整體結(jié)構(gòu)在宏觀上展現(xiàn)出良好的柔韌性。這兩大類材料共同構(gòu)成了柔性傳感器的基礎(chǔ)，為其在可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(shù)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(chǔ)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(chǎn)，具有大規(guī)模部署的經(jīng)濟(jì)可行性;③使用輕質(zhì)的有機(jī)材料并在結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用;④可以使用具有可回收性和生物降解性的有機(jī)材料制作，能夠更環(huán)保地生產(chǎn)和處理，并解決電子廢物問題。根據(jù)所感知的物理量不同，大致可以分為以下幾類。

應(yīng)變傳感器

應(yīng)變是指物體受到外力作用時發(fā)生的微小形變。應(yīng)變傳感器表面一般覆蓋著應(yīng)變敏感元件，當(dāng)受力變形時，傳感器上的敏感元件會產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致其電阻、電容或壓電等物理性質(zhì)隨之改變，將機(jī)械變形轉(zhuǎn)化為電信號，從而推斷出傳感器受到的應(yīng)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?qū)毫D(zhuǎn)化為電信號輸出。當(dāng)受到壓力作用時，敏感元件的電阻、電壓或電容等物理性質(zhì)會發(fā)生變化，這種變化被信號處理電路捕獲并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(jìn)行。接觸式溫度傳感器可以進(jìn)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(zhì)的變化來表示溫度;電接觸傳感器隨溫度改變其電學(xué)性能。大多數(shù)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。

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電動遙控測溫器內(nèi)部包含一個帶有熔斷器的鋼銅元件，能夠根據(jù)區(qū)域的溫度變化改變形狀。該元件的另一端連接到一個閥門上，這個閥門控制水蒸氣或熱水釋放到該區(qū)域的通風(fēng)口中。閥門會隨著金屬元件的熱脹冷縮而打開或關(guān)閉，保持室內(nèi)溫度的相對穩(wěn)定。

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。現(xiàn)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(dāng)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(chǎn)生霍爾效應(yīng)、引起磁導(dǎo)率等物理性質(zhì)的變化。傳感器捕捉這些變化便可測量磁場的強(qiáng)度和方向。

光傳感器

光傳感器通過測量輻射能產(chǎn)生指示光強(qiáng)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(nèi)，我們通常將這一區(qū)間內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)對光信號的檢測，例如光敏電阻和光電晶體管。

化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器是一類特殊的傳感器，用于檢測化學(xué)物質(zhì)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(biāo)化學(xué)物質(zhì)具有高度選擇性。當(dāng)目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)與感測材料接觸時，會發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生一個可測量的信號。

研發(fā)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，護(hù)航生命健康

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和人民生活質(zhì)量的持續(xù)提升，公眾的健康意識逐漸覺醒，對健康的關(guān)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(guān)注的焦點(diǎn)，深深牽動著每個人的心。然而，這一現(xiàn)狀卻面臨著醫(yī)療資源相對稀缺與長期治療費(fèi)用高昂的雙重挑戰(zhàn)。柔性傳感器的應(yīng)用為健康監(jiān)測領(lǐng)域帶來了革命性的變革，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)便捷、精準(zhǔn)的健康數(shù)據(jù)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(hù)航人們的生命健康。

腦動脈瘤監(jiān)測

腦動脈瘤是顱內(nèi)的一顆定時炸彈，一旦破裂會造成顱內(nèi)出血，具有相當(dāng)高的致死率，因此對患者進(jìn)行實時監(jiān)測至關(guān)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(xiàn)相關(guān)癥狀，醫(yī)生大多選擇在干預(yù)前采取觀望態(tài)度，這往往會導(dǎo)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(yán)重程度的主要方法是對患者進(jìn)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(dǎo)管的形式植入患者關(guān)鍵血管內(nèi)，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(shù)測量和計算機(jī)斷層掃描血管造影。踝肱指數(shù)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(jīng)常發(fā)生誤診，需要輔以計算機(jī)斷層掃描血管造影來矯正結(jié)果。這些檢測只能在醫(yī)院由專業(yè)培訓(xùn)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(gòu)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(zhǔn)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(shù)，并修正踝肱指數(shù)誤診結(jié)論[3]。

運(yùn)動姿勢優(yōu)化

采取和保持正確的運(yùn)動姿勢對專業(yè)運(yùn)動員取得良好成績、保護(hù)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(dǎo)科學(xué)訓(xùn)練中的價值[4]。柔性傳感器可以集成到運(yùn)動員絲質(zhì)衣物、背帶甚至襪子中，跟蹤他們的運(yùn)動序列，識別運(yùn)動中腿部受到的壓力等，教練可以據(jù)此糾正運(yùn)動員的姿勢以提高成績。

聚焦智能設(shè)計，提高生活水平

在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展下，人們對于高科技產(chǎn)品的需求也日益增加。柔性傳感器被廣泛應(yīng)用于各種智能產(chǎn)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(zhì)

民以食為天，食品安全問題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。許多人嚴(yán)格遵守食品包裝袋上的保質(zhì)期，一旦食品過了保質(zhì)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(dāng)?shù)仍颍行┤栽诒Ｙ|(zhì)期內(nèi)的食品或許早已變質(zhì)。這意味著食品保質(zhì)期并不是那么的精確。現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出一款用柔性導(dǎo)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(nèi)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(jīng)濟(jì)增長的新引擎。未來十年內(nèi)，在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的飛速發(fā)展下，智能紡織品會徹底改變?nèi)藗兊纳睢Ｈ嵝詡鞲衅骱碗娐返目衫煨院涂蓮澢允顾鼈兂蔀榧徔椘芳傻睦硐脒x擇。理想的智能紡織品是一個集傳感、數(shù)據(jù)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(shè)計出的智能紡織品能夠感應(yīng)外部條件，監(jiān)測其對人體或環(huán)境的影響。人體運(yùn)動監(jiān)測、醫(yī)療與保健、能量收集和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域都將有它的一席之地[6]。

推動人機(jī)交互

人機(jī)交互是人工智能時代的重要基礎(chǔ)，如何加強(qiáng)機(jī)器對人類的理解是人機(jī)交互的重要問題之一。如果機(jī)器能夠像人類一樣，可以通過觸摸來感知情感表達(dá)，這將使人機(jī)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)從觸摸的空間、力學(xué)和時間維度中學(xué)習(xí)特征和模式，實現(xiàn)社交觸摸情感識別。

結(jié)語與展望

隨著柔性傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，我們正逐步進(jìn)入一個全新的智能感知時代。柔性傳感器以其獨(dú)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(shè)備和周邊環(huán)境的交互方式。

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機(jī)器人在未來能夠通過觸摸來感知和表達(dá)情感

未來，柔性傳感器技術(shù)也將在更多領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)用，將推動我們進(jìn)入一個更加智能、高效、人性化的新時代。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)訓(xùn)練輔助: 柔性可穿戴傳感器運(yùn)動監(jiān)測應(yīng)用. 中國科學(xué): 信息科學(xué), 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(guān)鍵詞：柔性傳感器 可穿戴設(shè)備 健康監(jiān)測

來源：科學(xué)雜志1915

原標(biāo)題：柔性傳感器引領(lǐng)智能感知時代

編輯：亦山

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