柔性傳感器引領(lǐng)智能感知時(shí)代

自然界中的很多生物都具有感知系統(tǒng)，用于識(shí)別光、聲音、生物化學(xué)分子等信息來(lái)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(shí)時(shí)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(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，人類文明中第一個(gè)記錄在冊(cè)的傳感器要追溯到2000多年前，拜占庭人斐羅（Philo）發(fā)明的測(cè)溫儀。東漢時(shí)期，我國(guó)的科學(xué)家張衡（公元132年）發(fā)明了地動(dòng)儀，用于監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)的機(jī)械輸出。第二次工業(yè)革命以來(lái)，隨著對(duì)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(hào)，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。例如，約翰遜（W. S. Johnson）在1883年發(fā)明的電動(dòng)遙控測(cè)溫器，不僅可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，還具有自動(dòng)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(gè)傳感器，為用戶提供了良好的使用體驗(yàn)。近年來(lái)，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(dòng)駕駛：智能汽車中嵌入了大量傳感器，通過(guò)無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的自動(dòng)駕駛技術(shù)。

在數(shù)字時(shí)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(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)如此大規(guī)模的監(jiān)測(cè)。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?cè)谠S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(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或復(fù)合技術(shù)實(shí)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(guò)精巧的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（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(cè)、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(shì)，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(cè)量動(dòng)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(jià)格低廉，并且能夠通過(guò)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(jì)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(wèn)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(shí)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(shí)，傳感器上的敏感元件會(huì)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(hào)，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(hào)處理電路組成，能夠?qū)毫D(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。當(dāng)受到壓力作用時(shí)，敏感元件的電阻、電壓或電容等物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，這種變化被信號(hào)處理電路捕獲并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

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(cè)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(lái)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。

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(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(chǎng)中時(shí)，會(huì)受到磁場(chǎng)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(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。

光傳感器

光傳感器通過(guò)測(cè)量輻射能產(chǎn)生指示光強(qiáng)度的輸出信號(hào)。輻射能存在于一個(gè)相對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(guò)光照以某種方式改變其電氣特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)，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(cè)化學(xué)物質(zhì)的存在及濃度。傳感器元件由特定的感測(cè)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(cè)材料接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的信號(hào)。

研發(fā)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，護(hù)航生命健康

近年來(lái)，隨著社會(huì)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(shí)逐漸覺(jué)醒，對(duì)健康的關(guān)注度顯著提高。與此同時(shí)，慢性病及其他健康問(wèn)題的頻發(fā)，成為社會(huì)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)，深深牽動(dòng)著每個(gè)人的心。然而，這一現(xiàn)狀卻面臨著醫(yī)療資源相對(duì)稀缺與長(zhǎng)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(cè)領(lǐng)域帶來(lái)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(cè)成本，從而極大地緩解了醫(yī)療資源緊張的問(wèn)題，有力護(hù)航人們的生命健康。

腦動(dòng)脈瘤監(jiān)測(cè)

腦動(dòng)脈瘤是顱內(nèi)的一顆定時(shí)炸彈，一旦破裂會(huì)造成顱內(nèi)出血，具有相當(dāng)高的致死率，因此對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。但由于許多被診斷為動(dòng)脈瘤的患者在動(dòng)脈瘤破裂前沒(méi)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(huì)導(dǎo)致患者錯(cuò)過(guò)最佳搶救時(shí)間，帶來(lái)不可挽回的后果。并且，目前衡量動(dòng)脈瘤嚴(yán)重程度的主要方法是對(duì)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(dòng)脈瘤破裂的可能性，或可在破裂后爭(zhēng)取寶貴的搶救時(shí)間[2]。

血氧含量監(jiān)測(cè)

外周動(dòng)脈疾病是一種常見的心血管疾病，全球患者超過(guò)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(cè)量和計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影。踝肱指數(shù)是一種通過(guò)測(cè)量下肢血壓推斷血氧水平的簡(jiǎn)單方法，因此經(jīng)常發(fā)生誤診，需要輔以計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影來(lái)矯正結(jié)果。這些檢測(cè)只能在醫(yī)院由專業(yè)培訓(xùn)的醫(yī)生做，存在單次性、價(jià)格昂貴的問(wèn)題?；诮t外發(fā)光二極管和探測(cè)器構(gòu)成的柔性光電生物傳感器，能夠貼膚實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦氧飽和度、心率、動(dòng)脈血氧等多種生命體征，可以準(zhǔn)確評(píng)估外周動(dòng)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(dòng)姿勢(shì)優(yōu)化

采取和保持正確的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員取得良好成績(jī)、保護(hù)身體安全有著極其重要的意義。2021年，我國(guó)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(jià)值[4]。柔性傳感器可以集成到運(yùn)動(dòng)員絲質(zhì)衣物、背帶甚至襪子中，跟蹤他們的運(yùn)動(dòng)序列，識(shí)別運(yùn)動(dòng)中腿部受到的壓力等，教練可以據(jù)此糾正運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)以提高成績(jī)。

聚焦智能設(shè)計(jì)，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(duì)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(lái)了科技改變生活的新體驗(yàn)。

食品保質(zhì)

民以食為天，食品安全問(wèn)題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)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(guò)了保質(zhì)期，就將它立刻丟棄，但這個(gè)食品可能仍然可以安全食用。相反，因?yàn)閮?chǔ)存方式不當(dāng)?shù)仍?，有些仍在保質(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(jì)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(cè)包裝內(nèi)二氧化碳、氨氣等氣體的含量，從而讓人們對(duì)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(guò)期的食品，而不是扔掉它們[5]。

智能紡織品

智能紡織品市場(chǎng)正逐漸成為全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新引擎。未來(lái)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(huì)徹底改變?nèi)藗兊纳?。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(gè)集傳感、數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行、存儲(chǔ)和通信等功能為一體的計(jì)算系統(tǒng)。以此設(shè)計(jì)出的智能紡織品能夠感應(yīng)外部條件，監(jiān)測(cè)其對(duì)人體或環(huán)境的影響。人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、醫(yī)療與保健、能量收集和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域都將有它的一席之地[6]。

推動(dòng)人機(jī)交互

人機(jī)交互是人工智能時(shí)代的重要基礎(chǔ)，如何加強(qiáng)機(jī)器對(duì)人類的理解是人機(jī)交互的重要問(wèn)題之一。如果機(jī)器能夠像人類一樣，可以通過(guò)觸摸來(lái)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(hào)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(shí)時(shí)捕捉觸摸到的時(shí)間維度特征。并通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從觸摸的空間、力學(xué)和時(shí)間維度中學(xué)習(xí)特征和模式，實(shí)現(xiàn)社交觸摸情感識(shí)別。

結(jié)語(yǔ)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(gè)全新的智能感知時(shí)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(duì)物理世界的感知方式，也在無(wú)形中改變了我們與電子設(shè)備和周邊環(huán)境的交互方式。

未來(lái)，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(cè)、智能家居以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用，將推動(dòng)我們進(jìn)入一個(gè)更加智能、高效、人性化的新時(shí)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(xué)訓(xùn)練輔助： 柔性可穿戴傳感器運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用. 中國(guó)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(cè) ■