隨著柔性電子學(xué)、材料科學(xué)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(jī)交互、智能機(jī)器人、人工智能、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)測及運(yùn)動(dòng)健康等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米所研究員，漢威科技子公司蘇州能斯達(dá)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)“（機(jī)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(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(shí)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(jì)制備等，但這些手段通常都是基于現(xiàn)有復(fù)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(xué)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(jìn)化，各種生物體都能通過其獨(dú)特的形狀與功能實(shí)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(dòng)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jìn)行偽裝保護(hù)等。因此，通過向自然學(xué)習(xí)，對生物界存在的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)信息實(shí)時(shí)精確感知的仿生傳感器件，為新型電子器件的設(shè)計(jì)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。

皮膚組織是生物體最大的感知器官，具有力學(xué)、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(fù)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(shí)現(xiàn)光、濕度雙重響應(yīng)同時(shí)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(jì)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(jī)理的具有類“皮膚”自修復(fù)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(shí)，分析指出通過設(shè)計(jì)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(dòng)物（蜘蛛等）、植物（荷葉、花瓣等）中仿生微納結(jié)構(gòu)的復(fù)形，構(gòu)筑了能實(shí)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；基于仿織物條紋微納結(jié)構(gòu)組裝的柔性器件，能實(shí)現(xiàn)對微小壓力（0.6Pa）的快速響應(yīng)（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(shí)現(xiàn)柔性傳感器高延展性；采用預(yù)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。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(jìn)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。

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(shí)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(tuán)隊(duì)從生物體感官功能角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多種新型柔性仿生器件的設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)信號（20-13000Hz）的高信噪比（～55dB）、高穩(wěn)定響應(yīng)（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(shí)，未來將賦予仿生機(jī)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(dòng)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(jī)框架材料及非傳統(tǒng)的分子機(jī)器、細(xì)胞有機(jī)體等引入器件設(shè)計(jì)之中，并通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)筑低功耗仿生魚、仿生鳥等智能柔性傳感-驅(qū)動(dòng)一體化系統(tǒng)等將成為現(xiàn)實(shí)。

關(guān)于：漢威科技

漢威科技（SZ.300007）子公司蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司是由中科院蘇州納米所知名海歸科學(xué)家張珽團(tuán)隊(duì)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(tái)。

目前蘇州能斯達(dá)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(jī)能恢復(fù)的檢測終端，智能運(yùn)動(dòng)裝備、電子貨架、機(jī)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(yīng)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(shí)，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(fèi)類電子方面有巨大的應(yīng)用空間。

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