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傳感器作為基礎(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)域具有廣闊的應用前景。

近日，中國科學院蘇州納米所研究員，漢威科技子公司蘇州能斯達電子科技有限公司創(chuàng)始人張珽博士，其課題組在國際著名期刊AccountsofChemicalResearch上發(fā)表了題為“Materials,Structures,andFunctionsforFlexibleandStretchableBiomimeticSensors”的受邀綜述文章，從仿生角度闡釋了本課題組和相關(guān)團隊最近幾年在柔性傳感器領(lǐng)域所涉及的納米敏感材料、微納結(jié)構(gòu)及新型智能器件等方面的研究工作，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)”高效融合的必備途徑，并探討了該研究領(lǐng)域存在的問題和發(fā)展方向。

仿生柔性傳感器綜述發(fā)表于AccountsofChemicalResearch（2019,52,288-296,InsideCover）

面向特定應用場景的需求，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形狀與功能實現(xiàn)對生存環(huán)境的適應。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)的應用范圍。

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（Electronicskin）”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（Boundwater）的吸脫附，敏感高分子膜能實現(xiàn)光、濕度雙重響應同時通過材料形變來將信號響應“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特性的柔性傳感器；基于仿織物條紋微納結(jié)構(gòu)組裝的柔性器件，能實現(xiàn)對微小壓力（0.6Pa）的快速響應（10ms）；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。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用。

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。張珽團隊從生物體感官功能角度出發(fā)，實現(xiàn)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（ElectronicFingerprint）、柔性仿生電子耳膜（ElectronicEardrum）等，實現(xiàn)了對脈搏、心跳及血管微壓的高靈敏檢測，對表面剪切力、織物條紋及盲文字母的精確檢測，以及對寬頻振動信號（20-13000Hz）的高信噪比（～55dB）、高穩(wěn)定響應（150000cycles）。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。

（a）柔性仿生電子皮膚傳感器（“E-skin”）；（b）柔性仿生指紋傳感器（“Electronicfingerprint”）;（c）柔性振動傳感器-“電子耳膜（Electroniceardrum）”

基于上述新型功能柔性傳感器件的研制，再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，并通過系統(tǒng)設(shè)計，構(gòu)筑低功耗仿生魚、仿生鳥等智能柔性傳感-驅(qū)動一體化系統(tǒng)等將成為現(xiàn)實。

關(guān)于：漢威科技

漢威科技（SZ.300007）子公司蘇州能斯達電子科技有限公司是由中科院蘇州納米所知名海歸科學家張珽團隊創(chuàng)立的一家國家級高新技術(shù)企業(yè)，公司致力于柔性壓力傳感器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，開創(chuàng)了國內(nèi)柔性智能感知技術(shù)和印刷電子的領(lǐng)先品牌，公司將柔性感知傳感器與智能終端緊密結(jié)合，打造了柔性傳感智能化平臺。

目前蘇州能斯達研發(fā)和生產(chǎn)的柔性壓力、溫濕度傳感器及智能感知方案已經(jīng)在壓力感知開關(guān)、醫(yī)療健康領(lǐng)域的呼吸、心率、人體機能恢復的檢測終端，智能運動裝備、電子貨架、機器人及各種智能控制終端等方面批量生產(chǎn)并取得了廣泛的應用。柔性壓力傳感器產(chǎn)品具有功耗低，壓力測試范圍廣，形態(tài)多樣，信號易于讀取等優(yōu)勢。同時，柔性傳感器與柔性顯示屏的底層技術(shù)是相通的，隨著市場的逐步成熟，未來在消費類電子方面有巨大的應用空間。

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