基于聚二甲基硅氧烷柔性可穿戴傳感器研究進展

金 欣，暢旭東，王聞宇，朱正濤,2，林 童,3

(1天津工業大學 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387；2 迪肯大學 前沿纖維研究與創新中心，澳大利亞吉朗 VIC3217；3 南達科他礦業理工學院，美國 拉皮德城 SD57701)

近年來，隨著柔性電子材料和傳感技術的快速發展，可穿戴式柔性傳感器發展非常迅速。柔性傳感器以信號傳導的形式將生理活動信號轉換為可視的電信號，在人體健康監測、生物醫學和柔性電子皮膚等方面有著巨大的潛力[1-2]。與傳統的金屬和半導體材料傳感器相比，柔性傳感器具有良好的柔韌性、可拉伸性及可連續監測等優勢。如何有效地將外力刺激轉化為電信號是柔性傳感器的關鍵，柔性傳感器的信號轉換機制主要分為壓阻、電容和壓電三大部分[3]。柔性傳感器主要是由柔性材料與活性材料組成，其中可作為柔性材料的聚合物有:聚酯、聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二酯、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷材料等[4-9]。活性材料作為柔性傳感器的核心部分，迄今為止已使用碳基材料[10-16]、金屬納米線[17-18]、金屬納米顆粒[19-20]等制備了不同響應機制的傳感器。

在眾多柔性材料中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有優異的透明性、生物相容性、彈性和拉伸性，容易與活性材料相結合等優點，成為人們的首選[21]。本文主要對以PDMS為柔性材料的柔性應變傳感器進行綜述，主要介紹了近些年，以PDMS為柔性材料制備的壓阻式和電容式可穿戴柔性應變傳感器，包括信號轉換機制、制造工藝和性能，近些年來的研究進展和其在脈搏檢測、聲音識別及運動檢測等方面的最新應用。

1 壓阻式柔性傳感器

壓阻式傳感器是一種將外部刺激所引起的電阻值變化轉換為電信號輸出的傳感器(如圖1(a)所示[3])。壓阻式傳感器具有結構簡單、集成和輸出數據容易等優點，也是目前研究最為廣泛的一種電子應變傳感器[22]。壓阻式柔性應變傳感器制備過程通常是將活性材料混合到柔性材料中以形成復合材料，連接電極，再用柔性材料進行封裝。對于壓阻式柔性傳感器而言，活性材料和柔性材料是傳感器的核心部分。以下分別對活性材料和柔性材料的研究進展和成果進行評述。

1.1 活性材料

在壓阻式柔性應變傳感器中，活性材料是柔性傳感器的核心部分，它與靈敏度、響應時間和應變系數等傳感器性能有著密切關系。在壓阻式柔性應變傳感器中，常用的活性材料主要有碳基材料和金屬納米材料等。在不同的制備條件和制備工藝下，由各種類型活性材料制備的柔性應變傳感器通常表現出不同的傳感性能。下面將對最常見的幾種柔性應變傳感器的活性材料進行詳細闡述和說明。

1.1.1 碳基材料

碳基材料具有優異力學和電性能，在壓阻式柔性應變傳感器制造方面有著廣泛的應用。常用的碳基材料主要有碳納米管和石墨烯等。其中，碳納米管具有結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制、比表面利用率可達 100%等特點，是用于柔性電極和電子器件的優異候選者。在碳納米管的應用上，Wang等[10]將單壁碳納米管薄膜放置在兩層柔性PDMS薄膜之間，制備了非常靈敏和穩定的“三明治”結構的柔性傳感器。制備的傳感器具有低壓檢測(檢測壓力低于0.6Pa)、快速響應(小于10ms)和高穩定性(67500循環穩定性)等優點，并且實現了對人體生理活動信號的靈敏檢測(如圖1(b)所示)。石墨烯是由單層碳原子組成的蜂窩狀晶格結構，具有很好的光學性能、力學性能、導熱性能以及非常高的載流子遷移率。在石墨烯材料的應用上，Jeong等[11]使用石墨烯泡沫活性材料來制造高度可拉伸和高靈敏度的柔性應變傳感器，傳感器的拉伸形變可達70%，具有較高的穩定性，其應變系數隨著石墨烯的含量改變在15%～29%之間變化。

此外，由于碳納米管材料與PDMS柔性材料的復合不夠牢固，影響了柔性應變傳感器的穩定性。通常采用額外的處理工藝來提高傳感器的穩定性，如Jian等[12]利用石墨烯與PDMS柔性材料有著良好的附著效果，提出一種將碳納米管和石墨烯綜合使用的方法。他們首先將定向碳納米管表面涂覆銅箔，然后通過化學氣相沉積法將石墨烯生長到銅箔上，制備了碳納米管/石墨烯混合膜。而后將該膜作為活性材料涂覆到微結構PDMS薄膜上，制備了高性能柔性應變傳感器(如圖1(c)所示)。制備傳感器的穩定性能明顯優于用純石墨烯或碳納米管制備的傳感器。

近些年來，基于生物材料的碳基材料由于其具有良好的導電性、環保性和生產成本低等優點受到了廣泛的研究關注[1]。Li等[13]將天然棉線在氮氣中熱解制備成導電碳絲，使用制備的導電碳絲作為活性材料，再通過PDMS柔性材料封裝制備柔性應變傳感器(如圖1(d)所示)。由于其優異的柔韌性和高拉伸性，線狀的柔性應變傳感器可以集成到紡織品中，這將賦予服裝諸如感測和監測等智能功能。

圖1 壓阻式柔性傳感器的傳導機制和器件示意圖 (a)壓阻效應傳導的示意圖[3]； (b)由SWNTs膜和PDMS組成的典型E-皮膚[10]； (c) ACNT /G應變傳感器結構示意圖[12]； (d)線形應變傳感器制造示意圖[13]Fig.1 Piezoresistive flexible sensor conduction mechanism and device schematic illustrations(a)schematic illustration of piezoresistivity transduction[3];(b)a typical E-skin composed of SWNTs film and PDMS[10];(c)schematic illustration showing the structure of the ACNT/G pressure sensor[12];(d)schematic illustration of the fabrication of the wire-shaped strain sensor[13]

單純碳基納米材料很難在宏觀上集成為有序的陣列，為了使柔性應變傳感器能夠在較大應變情況下保持較好的導電能力，將柔性材料與碳基納米材料復合是一種有效途徑。由于彈性體復合結構優異的導電性能和較高的各向異性[14-15]，使其成為一類較為常用的活性材料。例如，Park等[16]利用碳納米管和PDMS柔性材料制備復合導電彈性薄膜，通過將復合彈性薄膜面對面構建交錯的微型圓頂結構來制備柔性應變傳感器(如圖2(a)所示)，該傳感器的感測機制基于兩個微型穹頂陣列之間的隧穿電流的變化。Kong等[17]通過簡單的工藝，將導電炭黑納米顆粒和液相的PDMS聚合物混合在一起獲得納米復合結構(如圖2(b)所示)。Wu等[18]提出了兩種簡便的方法來制備三維多孔聚二甲基硅氧烷/碳納米纖維納米復合材料。通過使用涂覆有碳納米纖維的糖顆粒作為模板，把液態的PDMS涂覆到模板上固化成形，除去糖顆粒得到了具有穩定的壓阻性能和高度的可拉伸性的三維多孔納米復合材料(如圖2(c)所示)。

1.1.2 金屬納米材料

金屬納米材料主要有導電納米顆粒和納米線等。金屬納米線具有機械強度高，導電性好和比表面積大等優點，已經被廣泛地應用到柔性電子器件中[19]。金屬的納米粒子不僅具有良好的導電性外，而且還可以燒結成薄膜或導線。

在金屬納米線的應用上，銀納米線和金納米線的使用較多。Amjadi等[20]將納米銀線制備成薄膜，基于夾層結構(即嵌入在兩層PDMS之間的納米銀線薄膜)制備傳感器(如圖3(a)所示)，其制備工藝簡單，成本低，同時實現了優異的拉伸性和靈敏度。Gong等[21]將表面用金納米線修飾的棉紙夾在兩片PDMS之間，利用這種夾層結構制備了可穿戴的壓力傳感(如圖3(b)所示)。這種新型傳感器具有低能耗，能檢測低至13Pa的壓力、快速響應和超高穩定性等優點。并且使用這種新型傳感器，可以在較寬的壓力范圍(可達50000Pa)內檢測動態力，并能夠檢測各種復雜的力，包括壓力、彎曲、扭轉和聲振動。

在金屬納米粒子應用上，Su等[22]利用圖案化硅模板，將含有銀納米顆粒的組裝液與柔性薄膜構筑“三明治”夾層結構，在PDMS薄膜上形成了規則的微納米級曲線陣列，真空蒸鍍上金電極，得到對微小形變有穩定電阻變化的傳感器芯片傳感器(如圖3(c)所示)。該傳感器可以實現任意調整曲折形態和穩定的響應可以作為感測人體面部表情變化，實現智能面部表情識別。Pang等[23]將鉑涂覆到高縱橫比的聚氨酯基納米纖維上，制備納米級機械聯鎖的層狀應變式傳感器(如圖3(d)所示)。通過使用高縱橫比納米纖維，在外部刺激下，產生不同納米級形變引起電阻變化，進而可以檢測壓力，剪切和扭轉等應力。

1.2 柔性材料的微結構化

對于壓阻式柔性電子應變傳感器，柔性材料不僅影響著傳感器的彈性形變性能而且對傳感性能有至關重要的影響。在傳感器制造過程中為了改善PDMS材料和附著組分之間的黏合性，采用了包括氧等離子體、紫外線暴露和化學官能化在內的各種表面處理技術來改變其疏水表面，使其更親水[24-27]。為了提高傳感器的彈性形變性能和傳感性能，將PDMS薄膜微結構化是提高傳感器性能的重要方法[28-30]。

1.2.1 傳統微結構化

微結構化的PDMS薄膜不僅可以提高傳感器的彈性形變性能，而且也使柔性傳感器具有比非結構化PDMS薄膜具有更高的靈敏度和更快的響應時間。傳統微結構化的制造工藝如圖4(a)所示，首先通過(旋涂，光刻和蝕刻等)制備微圖案模具，將PDMS主劑和硬化劑的混合物在真空中攪拌并脫氣以除去氣泡[31]；然后，將混合物旋涂到微結構化的模具上，固化并從模具中剝離，得到微結構化的PDMS材料。迄今為止，已經使用微結構化的模具制備了金字塔陣列、微圓點陣列、微槽和互鎖微結構的柔性基底(如圖4(b)所示)[32]。與非結構化膜相比，具有金字塔結構的PDMS膜在壓力敏感性方面提高了30倍，微結構PDMS膜的恢復時間在毫秒范圍內。

1.2.2 利用樹葉和絲綢進行微結構化

上述微結構主要通過傳統的光刻工藝獲得，其工藝復雜、成本高且耗時。為了解決這類問題，人們在此方面做了大量研究。Su等[33]利用自然微結構的植物葉子作為模板，得到了微結構化的PDMS薄膜，但這種方法不能控制微結構的尺寸。在此基礎上，Wang等[10]利用絲綢作為模板，制造具有均勻微結構圖案的PDMS薄膜。通過改變織物的水平和垂直線的比例可以很好地控制微結構的尺寸。不同形態的紡織模具提供不同微結構，該方法還可以在PDMS材料上產生各向異性微結構，這將有助于檢測柔性傳感器應變力的方向(如圖4(c)所示)。

圖2 基于PDMS制備導電彈性復合體(a)導電彈性復合體的傳導原理示意圖[16]；(b)彈性復合材料合成步驟示意圖[17]； (c)多孔PDMS/CNF納米復合材料的制備方法的示意圖[18]Fig.2 Preparation of conductive composite elastomers based on PDMS(a)schematic showing working principle of conductive composite elastomers[16];(b)schematic illustrations of synthesis procedures[17];(c)schematic illustrations of preparation methods for porous PDMS/CNF nanocomposites[18]

2 電容式柔性傳感器

電容器是以靜電場形式存儲能量的無源電子部件，電容器由兩個絕緣材料(電介質)隔開的導電板組成。電介層在應變下的變形會導致電容變化，根據電容的變化可以用來檢測應變的變化，其傳感原理(如圖5(a)所示[3])。電容器的電容可以用公式C=ε0εrA/d表示，ε0是真空介電常數，εr是相對介電常數，A表示面積，d是電極之間的距離，這3種變量對應力的變化都是非常敏感的，電容式傳感器的主要優勢在于其對力的敏感性強，可以實現低能耗檢測微小的應力，控制方程簡單，簡化了器件的設計和分析過程[34-37]。在電容式柔性傳感器制備過程中，PDMS柔性材料具有良好彈性、拉伸性和絕緣性，可以用來制備電介層和柔性電極的基底材料[38]。

2.1 柔性電極

電容式柔性傳感器中柔性電極是傳感器中核心組成部分，因為傳統電極無法滿足柔性需求，許多科研團隊通過使用碳納米管和納米銀線等活性材料與PDMS材料復合作為電極，開發了透明和可拉伸的電容式傳感器。Yao等[39]將高導電性銀納米線與PDMS柔性材料復合來制備柔性電極，制備的傳感器具有出色的拉伸性能、高靈敏度和快速響應等優點(如圖5(b)所示)。Cai等[40]將碳納米管制備成薄膜形態轉移到PDMS表面上作為柔性電極，所組裝的電容式柔性傳感器，可以測量高達300%的應變，具有高光學透明度和良好的穩定性等優點(如圖5(c)所示)。

為了改進電容式柔性傳感器的性能，人們提出將柔性電極微結構化。電極的微結構化實際上是在電極與電介層之間形成空氣空隙，由于柔性電極的微納結構化使其表面呈現出粗糙的分布狀態。當外界施加壓力時，空氣間隙快速減少使得電介層的相對介電常數快速變化，使得傳感器的靈敏度提升。Quan等[41]利用毛面玻璃制備微結構化的PDMS，將納米銀線噴涂到微結構化的PDMS薄膜上制備微結構化的柔性電極，明顯提升了傳感器的靈敏度和響應時間。

圖3 基于金屬納米材料的柔性傳感器(a)PDMS/AgNW/PDMS納米復合應變傳感器的制造過程[20]； (b)基于AuNW改性紙張的壓力傳感器[21]；(c)由柱狀圖案模板引起的納米粒子自組裝過程的示意圖[22]； (d)夾在薄PDMS支架之間的柔性傳感器層的組裝和操作的示意圖[23]Fig.3 Schematic illustrations of flexible sensors based on metal nanomaterials(a)fabrication process of the PDMS/AgNW/PDMS nanocomposite strain sensor[20];(b)pressure sensor based on the AuNWs modified paper[21];(c)schematic illustration of the nanoparticle self-assembly process induced by pillar-patterned template[22];(d)schematic illustration of the assembly and operation of a flexible sensor layer sandwiched between thin PDMS supports[23]

2.2 電介層

電介層在電容式柔性傳感器中不僅要絕緣，而且還需要高度的彈性。電容式傳感器的靈敏度與彈性電介層息息相關，使用高柔韌性和黏彈性的電介質可以提高傳感器件的性能。PDMS具有非常良好的機械行為和均勻的各向同性，是電介層的理想材料[42-43]。PDMS在傳統“三明治”型電容器和柔性電子場效應晶體管中作為電介層有著廣泛的應用。最近，Lee等[44]利用銀納米粒子涂覆到彈性橡膠上成功制備了新型導電纖維，而后在導電纖維表面涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為電介質層，并且將兩個PDMS涂覆的纖維彼此垂直堆疊，成功地制造了電容型柔性應變傳感器(如圖6)。制備的傳感器具有高的靈敏度和優異的耐久性，為可穿戴電子產品的發展提供新的機遇。

圖4 制備微結構化的PDMS薄膜(a)微圖案化PDMS膜的制造工藝示意圖[31]；(b)具有半球，金字塔，微米棒，微米， 立方體特征和金字塔特征結構的圖案化PDMS膜的SEM圖像[32]；(c)利用含羞草葉片和絲綢表面制備的微圖案PDMS薄膜[10,33]Fig.4 Fabrication of micro-patterned PDMS films(a)schematic illustration of fabrication process for micro-patterned PDMS films[31]; (b)SEM images of patterned PDMS films with the structure of hemispheres,pyramids,microrods,microlines,cubic features, and pyramid features[32];(c)digital photographs of mimosa leaves molded and silk molded micro-patterned PDMS film[10,33]

圖5 電容式柔性傳感器的傳導機制和器件示意圖(a)電容傳導示意圖[3]；(b)電容式傳感器的橫截面圖[39]； (c)基于碳納米管透明電容式傳感器的示意圖[40]Fig.5 Capacitive flexible sensor conduction mechanism and device schematic illustrations(a)schematic illustration of capacitance transduction[3];(b)cross-sectional view of capacitive sensors[39];(c)schematic illustration of CNT-based transparent capacitive sensors[40]

為了提高傳感器的性能，在PDMS電介層中制造空氣氣隙是常用方法。材料中的氣隙能夠增加電介質的可壓縮性，由于空氣介電常數比較低，可以降低電容值而使得傳感器具有較低的信噪比和較高的靈敏度。形成氣隙的方法主要有微結構化和多孔化，下面將從這兩個方面進行闡述。

圖6 制作壓力傳感器的示意圖,以及使用導電纖維在PET襯底上制造的壓力傳感器的照片[44]Fig.6 Schematic illustration of fabrication of the pressure sensor and photograph showing the fabricated pressure sensor on a PET substrate using conductive fibers[44]

2.2.1 電介層微結構化

在電容式傳感器中，電介層微結構化在有機場效應晶體管中有著廣泛的應用。典型的有機場效應晶體管結構包括基底、半導體層、柵極電介層、源極、漏極和柵極，其中介電層放置在半導體層和柵極之間。由于有機場效應晶體管獨特的信號放大功能，電容微小的變化會產生明顯的電流信號輸出，從而以高靈敏度和低功耗有效檢測施加的壓力。Mannsfeld等[31]在硅片

上集成了一種新型高壓敏感的有機晶體管，其具有微結構的可壓縮柵電介質相比于無結構或其他微結構的膜，具有錐狀結構的PDMS層電容式傳感器極大地提高了對力的敏感性(如圖7(a)所示)。Schwartz等[45]在薄膜聚合物晶體管中集成一個微結構化的PDMS電介質，微結構化的PDMS電介質和高遷移率半導體的結合，從而得到高靈敏度的晶體管器件(如圖7(b)所示)。通過對微結構化的幾何分布進行研究，可以在低壓和高壓狀態下調整器件靈敏度，從而為不同靈敏度要求的不同應用量身定制壓力傳感器。除了金字塔形微結構之外，已經使用各種其他形式的微圖案介質層來增強電容式傳感器的性能，包括柱、圓頂和皺紋等圖案。

圖7 微結構化PDMS作為電介層在傳感器制備中的應用(a)具有微結構PDMS電介質層的壓敏有機單晶晶體管[31]； (b)壓敏晶體管制造步驟的示意圖[45]Fig.7 Schematic illustration of sensor preparation using microstructured PDMS as dielectric(a)pressure-sensitive OFET with microstructured PDMS dielectric layer[31];(b)schematic of the final fabrication step of pressure sensitive transistor[45]

2.2.2 電介層的多孔化

電介層的多孔化是增加電介層中空氣氣隙的常用方法，Kang等[46]使用多層PS微珠成功地制備了具有不同孔徑的海綿結構PDMS電介質層(如圖8(a)所示)，由于存在著多孔空氣氣隙，傳感器可以檢測極小的應變，這種基于多孔結構的高靈敏度壓力傳感器為可穿戴式健康監測設備的創新開創了新機遇。Park等[47]在多孔PDMS薄膜和單壁碳納米管(SWCNT)薄膜之間構建氣隙，多孔結構和空氣氣隙的結合明顯提高了傳感器的靈敏度和測試范圍。該裝置可以實現從幾個帕斯卡到幾十千帕斯卡的壓力傳感(如圖8(b)所示)。此外，該電容式傳感器還實現了能量采集功能以及其傳感功能。能夠感知、區分和收集各種觸覺信息，如常壓、側向應變、彎曲和聲振動等。

圖8 多孔化PDMS作為電介層在傳感器制備中的應用(a)多孔結構化電容式壓力傳感器的制造步驟的示意圖[46]； (b)能量收集電子皮膚示意圖和每層說明[47]Fig.8 Schematic illustration of sensor preparation using porous PDMS as dielectric(a)photograph of a spongia officinalis and schematic illustration of the fabrication steps of a porous structured capacitive pressure sensor[46];(b)schematic illustration of EHES in a layer by layer format with description of each layer[47]

3 可穿戴柔性應變傳感器的應用前景

可穿戴柔性應變傳感器它們具有獨特的特性，如超薄、輕量、高彈性和拉伸性。這些可穿戴柔性應變傳感器可為人類活動監測和個人保健提供了新的機會。近年來，人們已經在基于PDMS柔性材料制備可穿戴傳感器方面取得了顯著進步，且開發了它們在脈搏檢測、運動監測和表情識別的應用，使其在很多方面都呈現出廣闊的應用前景。

3.1 脈搏檢測

脈搏和心跳的檢測和監控是評估人體健康的重要手段之一，因此開發高靈敏度的可穿戴式電子傳感器檢測并記錄脈搏和心跳變化至關重要。人體皮膚具有很多非平整的表面和精細結構，使得完全貼附非常困難，這是實施脈搏檢測的難點。最近Pang等[48]制備了一種基于微毛結構的柔性壓力傳感器，這種PDMS的微毛結構表面層具有良好的生物兼容性并且在人體皮膚表面完美附著(如圖9(a)所示)。此外這種傳感器對通過增加傳感器與人體皮膚的有效接觸面積，甚至連微弱的深層頸內靜脈搏動也可以獲取到(如圖9(b)所示)。

圖9 柔性傳感器在脈搏監測上的應用[48](a)用微型毛發傳感器檢測人的脖子上的脈搏的示意圖； (b)測量橈動脈的脈搏波Fig.9 Applications of flexible sensors on pulse detection[48](a)schematic illustration to detect pulse on a human’s neck with our microhair sensor;(b)measure pulse waves of the radial artery

3.2 運動監測

當前，對人體活動進行實時監測越來越受到人們的關注。監測人體運動可以分為兩種：一種是監測大范圍運動，例如手、胳膊和腿的彎曲運動；另一種是監測像呼吸、說話時肌肉細微運動。無論哪一種監測類型都需要柔性應變傳感器具有良好的拉伸性能和高靈敏度，而傳統的應變傳感器不具備上述性能。所以，具備好的拉伸性和高靈敏度的柔性可穿戴應變傳感器在運動監測領域至關重要。

在監測細微運動方面，Wang等[10]利用SWNTs/PDMS制備的柔性傳感器附著在人的頸部上，以監測人體在言語中肌肉運動產生的不同應變(如圖10(a)，(b)所示)。圖10(b)中，當演講者講不同的單詞和短語，如“Hello”， “Nanotechnology”，“Inspire a generation”和“One world one dream”傳感器有著不同的響應。

在監測人體大范圍運動方面，Yamada等[49]制備了定向排列的單壁碳納米管薄膜。當拉伸時，碳納米管破裂成島-橋間隙結構，形變可達到280%，具有非常高的可拉伸性。將這種傳感器組裝在長襪、繃帶和手套上，可以監測不同類型的動作，比如移動、打字和呼吸等(如圖10(c)，(d)所示)。Yao等[39]制備的可伸縮的應變傳感器被安裝在膝關節上，監測不同的膝關節運動模式，例如步行、跑步、蹲下和跳躍。該柔性應變傳感器在可持續的健康監測和人性化康復等方面有著巨大應用的潛力(如圖10(e)，(f)所示)。

圖10 柔性可穿戴傳感器在運動監測上的應用(a)直接貼附在測試者脖子上的電子皮膚，用于監測講話過程中的肌肉運動[10]； (b)在測試者語音期間監測肌肉運動時，用H-PDMS構建的E-皮膚的實時I-V曲線[10]；(c)固定在繃帶上的應變傳感器[49]；(d)阻力相對于呼吸 時間的變化，發聲(語音)[49]；(e)髕骨反射實驗的示意圖[39]；(f)各種人體運動的相對電容變化和應變隨時間的變化：步行、跑步、蹲下和跳躍[39]Fig.10 Application of flexible sensor in motion monitoring(a)photograph showing E-skin directly attached to a tester’s neck for monitoring the muscle movement during speech[10];(b)real-time I-V curves of the E-skin constructed with H-PDMS when monitoring muscle movement during the tester’s speech[10];(c)a strain sensor fixed to a bandage[49];(d)relative changes in resistance versus time for breathing,phonation (speech)[49];(e)schematic of the patellar reflex experiment[39];(f)relative capacitance change and strain versus time for various human motions: walking, running and jumping from squatting[39]

3.3 表情識別

表情傳遞信息是人們的交流過程中重要傳遞方式，隨著人機交互與人工智能技術的快速發展，人臉表情識別已成為人們研究的熱點。Roh等[50]使用聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽與聚氨酯制備的導電彈性體，然后依次將導電彈性體、單壁碳納米管、導電彈性體堆疊成三明治結構制備新型透明的、可拉伸的和高靈敏度的應變傳感器。將傳感器貼附于臉部皮膚表面，可以檢測面部表情，例如當人們微笑和哭泣時傳感器有著不用的響應曲線(如圖11(a)～(d))。Su等[22]通過制備的穩定電阻變化的柔性傳感器，在人體面部選擇了6個位置，將傳感器貼附于被監測者的體表皮膚，進行數據采集與分析，實時監測人臉表情的細微變化，用于識別微笑、大笑、驚訝、悲傷、恐懼、沮喪、生氣和放松八種主要的面部表情(如圖11(e)，(f)所示)。

圖11 柔性傳感器在表情識別上的應用(a)連接到前額，嘴巴附近，眼睛下方和頸部的可拉伸的透明超敏感應變傳感器的示意圖，以感測在 表達情緒和日常活動期間由肌肉運動誘發的皮膚應變[50]；(b)由PDMS基底上的PU-PEDOT：PSS/SWCNT/PU-PEDOT：PSS的三層堆疊 納米復合結構構成的應變傳感器的橫截面的示意圖[50]；(c)當受試者笑時，附著在嘴部附近的皮膚的傳感器的時間相關的ΔR/R0響應[50]； (d)受試者哭泣時附著于嘴部附近皮膚的傳感器的時間相關的ΔR/R0響應[50]；(e)將納米陣列芯片置于面部皮膚的六個選擇位置，包括特征 肌肉組[22]；(f)PCA分析物8種不同面部表情的結果以3D形式陳述[22]Fig.11 Application of flexible sensor in expression recognition(a)schematic illustration of stretchable transparent ultrasensitive strain sensors attached to the forehead, near the mouth, under the eye, and on the neck to sense skin strains induced by muscle movements during expression of emotions and daily activities[50];(b)schematic illustration of the cross-section of the strain sensor consisting of the three-layer stacked nanohybrid structure of PU-PEDOT:PSS/SWCNT/PU-PEDOT:PSS on a PDMS substrate[50];(c)time-dependent ΔR/R0 responses of the sensor attached to skin near the mouth when the subject laughing[50];(d)time-dependent ΔR/R0 responses of the sensor attached to skin near the mouth when the subject was crying[50];(e)nanocurves array chips were attached at six selective positions on facial skin, which included the characteris-tic muscle groups[22];(f) 3D representation of PCA result shows a clear clustering of the eight different facial expressions as analytes[22]

4 結束語

近些年，柔性可穿戴應變傳感器取得了迅速的發展，可穿戴電子設備展現出巨大的市場前景。PDMS因其優異生物相容性和高拉伸性等優點，在柔性可穿戴應變傳感器制備和應用中有著巨大的潛力。本文綜述了近年來基于PDMS柔性材料在可穿戴柔性應變傳感器方面的最新研究進展和在人體健康監測等方面的最新應用。

柔性可穿戴應變傳感器在大力發展的同時，也面臨著許多棘手的問題還需要研究，例如開發新型傳感原理、實現多功能集成、提升制備工藝、材料合成與器件整合等技術上的突破等。此外，在柔性可穿戴式傳感器系統中配置能量收集和能量儲存裝置將是非常有必要的。在未來，我們需要開發具有低能耗、自發電和存儲裝置的可穿戴柔性應變傳感器系統，發展無線技術將柔性可穿戴應變傳感器的數據存儲，數據傳輸和云端系統等其他組件集成在一起，開發一個完整的平臺，用于監測人類活動和個人醫療保健。相信隨著納米材料和納米技術的發展，柔性可穿戴傳感器會獲得更多的發展途徑，預示著柔性可穿戴電子傳感設備會有更廣泛的應用。