隨著柔性電子時(shí)代的到來(lái)，軟多功能傳感器作為其核心組件，憑借高適應(yīng)性、多功能集成和智能化潛力，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文綜述了軟多功能傳感器的關(guān)鍵特性、應(yīng)用場(chǎng)景、材料創(chuàng)新及未來(lái)技術(shù)趨勢(shì)，旨在為領(lǐng)域發(fā)展提供系統(tǒng)性指導(dǎo)。
核心特性與應(yīng)用場(chǎng)景
軟多功能傳感器以
柔性基底和
多功能集成為核心特征，能夠無(wú)縫貼合人體皮膚或復(fù)雜曲面，同時(shí)檢測(cè)多種外部刺激。其主要目標(biāo)刺激包括
應(yīng)變、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度及生化標(biāo)志物，覆蓋從健康監(jiān)測(cè)（如運(yùn)動(dòng)追蹤、汗液分析）到環(huán)境感知（如溫濕度檢測(cè)）的廣泛場(chǎng)景。例如，通過(guò)電阻或電容變化監(jiān)測(cè)應(yīng)變，可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康評(píng)估或智能假肢控制；而壓力傳感在醫(yī)療診斷和機(jī)器人觸覺(jué)反饋中至關(guān)重要。
材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
近年來(lái)，碳基材料（如石墨烯）、MXene、壓電聚合物（如PVDF）、離子材料及可生物降解材料的開(kāi)發(fā)，顯著提升了傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度和環(huán)境適應(yīng)性。水凝膠材料因其優(yōu)異的生物相容性和可拉伸性，成為可穿戴設(shè)備的理想選擇。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，納米網(wǎng)格、仿生粘附微結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新方案解決了傳統(tǒng)傳感器剛性大、共形貼合性差的問(wèn)題。
圖1：軟多功能傳感器的演變與未來(lái)方向
圖2：軟多功能傳感器的主要檢測(cè)目標(biāo)與性能
a) 電阻式傳感器在施加應(yīng)變時(shí)的相對(duì)電阻變化（ΔR/R?）。數(shù)據(jù)來(lái)源：[108] 美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)，2021年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
b) 摩擦電式傳感器在施加壓力下的電壓輸出。數(shù)據(jù)來(lái)源：[112] Wiley-VCH出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
c) 電容式傳感器在振動(dòng)環(huán)境中的電壓輸出波形及頻譜圖。數(shù)據(jù)來(lái)源： Springer Nature出版社，2019年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
d) 電阻式傳感器隨溫度變化的相對(duì)電阻響應(yīng)（ΔR/R?）。數(shù)據(jù)來(lái)源： Wiley-VCH出版社，2021年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
e) 電容式傳感器對(duì)相對(duì)濕度（RH）變化的電容響應(yīng)。數(shù)據(jù)來(lái)源： Wiley-VCH出版社，2019年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
f) 摩擦電式傳感器對(duì)Na?、K?和Ca²?離子的選擇性檢測(cè)能力。數(shù)據(jù)來(lái)源：[129] Wiley-VCH出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
注：該圖展示了軟多功能傳感器針對(duì)不同目標(biāo)刺激（應(yīng)變、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度、離子濃度）的檢測(cè)性能，涵蓋電阻式、電容式及摩擦電式傳感機(jī)制，引用文獻(xiàn)均標(biāo)注原始數(shù)據(jù)來(lái)源與版權(quán)信息。
圖3：軟多功能傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)
圖4：軟多功能傳感器的新興材料與結(jié)構(gòu)
圖5：解耦多重刺激的傳感器設(shè)計(jì)策略
a) 基于電容器陣列的軟多功能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
b) 不同加載場(chǎng)景下傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖與電容輸出分布圖。數(shù)據(jù)來(lái)源：[230] 美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
c) 由電紡CNF薄膜選擇性分傳感器構(gòu)成的軟多功能傳感器示意圖。
d) 傳感器在壓力無(wú)關(guān)條件下的溫度響應(yīng)及 e) 溫度無(wú)關(guān)條件下的壓力響應(yīng)。數(shù)據(jù)來(lái)源： Wiley-VCH出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
f) 基于離子導(dǎo)體的軟多功能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
g) 應(yīng)變不敏感的溫度響應(yīng)及 h) 溫度不敏感的應(yīng)變響應(yīng)。數(shù)據(jù)來(lái)源： 美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
i) 由極化微穹頂結(jié)構(gòu)P(VDF-TrFE)薄膜組成的軟多功能傳感器示意圖。
j) 傳感器在1.96 kPa壓力下的摩擦電輸出峰值與20℃溫差下的熱釋電輸出峰值。
k) 傳感器在1.96 kPa壓力和20℃溫差作用下的多重輸出信號(hào)。數(shù)據(jù)來(lái)源：[112] Wiley-VCH出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
注：該圖展示了通過(guò)材料選擇（如離子導(dǎo)體、功能化薄膜）與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如分傳感器陣列、微穹頂圖案化）實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、應(yīng)變等多參數(shù)獨(dú)立檢測(cè)的策略，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)引用自不同文獻(xiàn)。
圖6：軟多功能傳感器的性能優(yōu)化與實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證
a) 基于復(fù)合離子凝膠的傳感器在寬溫度范圍（-20~60℃）下的電阻-應(yīng)變響應(yīng)曲線，展示溫度自補(bǔ)償特性。
b) 多層級(jí)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（仿生褶皺/多孔）對(duì)壓力靈敏度（0.1–100 kPa）與響應(yīng)速度（<10 ms）的優(yōu)化效果。
c) 傳感器在人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)（腕部彎曲、手指抓握）中的實(shí)時(shí)信號(hào)輸出與噪聲抑制能力。
d) 多參數(shù)同步檢測(cè)示例：外界壓力（5 kPa）、溫度變化（ΔT=15℃）與表面濕度（60% RH）的解耦信號(hào)輸出。
數(shù)據(jù)來(lái)源：結(jié)合正文第4.2節(jié)“動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化”及補(bǔ)充材料S3（實(shí)驗(yàn)重復(fù)性驗(yàn)證），數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基于n=5次獨(dú)立測(cè)試。
圖7：實(shí)現(xiàn)優(yōu)異皮膚貼合性的策略設(shè)計(jì)
a) 章魚(yú)仿生粘附貼片的實(shí)物照片與掃描電鏡（SEM）圖像。
b) 貼片在帶毛發(fā)皮膚表面承載0.5 kg重量的演示。數(shù)據(jù)來(lái)源：[296] Wiley-VCH出版社，2018年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
c) 人體皮膚上直接繪制的“皮膚電子”繪制過(guò)程實(shí)物圖。數(shù)據(jù)來(lái)源：[303] Springer Nature出版社，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
d) 基于水溶性基底的電子紋身傳感器示意圖與實(shí)物照片。
e) 傳感器在松弛與壓縮皮膚表面的放大照片。數(shù)據(jù)來(lái)源：[306] 美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)，2017年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
f) 還原氧化石墨烯（rGO）涂層紡織紗線的實(shí)物照片與SEM圖像。
g) rGO涂層紗線編織物作為溫度傳感器的應(yīng)用演示。數(shù)據(jù)來(lái)源：[311] 美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)，2019年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
h) 導(dǎo)電納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)貼合人體皮膚的層壓工藝示意圖。
i) 附著于指尖的導(dǎo)電納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)物照片與SEM圖像。數(shù)據(jù)來(lái)源：[315] Springer Nature出版社，2017年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
j) 附著于食指的納米網(wǎng)狀壓力傳感器實(shí)物照片。數(shù)據(jù)來(lái)源：[314] 美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
k) 通過(guò)膠束簇間氫鍵作用形成的粘附性離子凝膠示意圖。
l) 粘附性離子凝膠與傳統(tǒng)離子凝膠皮膚貼合性的實(shí)物對(duì)比。數(shù)據(jù)來(lái)源：[318] Wiley-VCH出版社，2021年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
注：該圖展示了通過(guò)仿生粘附材料（如章魚(yú)吸盤(pán)結(jié)構(gòu)）、柔性基底（水溶性電子紋身、納米網(wǎng)）、新型加工工藝（皮膚直接繪制、紗線編織）等手段提升傳感器與皮膚界面貼合性的多尺度策略，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)引用自不同文獻(xiàn)。
圖8：柔性多功能傳感器的供能策略
a) 由機(jī)械能驅(qū)動(dòng)的自供能多功能傳感器示意圖。
b) 傳感器在不同機(jī)械刺激下的自生電壓輸出。數(shù)據(jù)來(lái)源： Wiley-VCH出版社，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
c) 由機(jī)械能與熱能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的自供能多功能傳感器陣列示意圖。
d) 傳感器在溫度梯度下的熱電電壓輸出。數(shù)據(jù)來(lái)源： Wiley-VCH出版社，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
e) 由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的柔性自供能集成傳感系統(tǒng)示意圖。
f) 集成系統(tǒng)在脈搏信號(hào)與手指運(yùn)動(dòng)下的輸出電流測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)來(lái)源：[335] Elsevier出版社，2019年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
g) 集成柔性鋅-空氣電池的腕帶式傳感系統(tǒng)。
h) 電池充電后不同時(shí)間點(diǎn)傳感器測(cè)量的脈搏波信號(hào)。數(shù)據(jù)來(lái)源：[341] Elsevier出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
i) 由四個(gè)集成汗液激活電池供能的柔性多功能微電子器件實(shí)物照片。
j) 佩戴該微電子器件者在徒步過(guò)程中通過(guò)汗液電池供能測(cè)量的脈搏頻率與皮膚溫度。數(shù)據(jù)來(lái)源：Elsevier出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
k) 由柔性超級(jí)電容器供能的柔性多功能傳感器系統(tǒng)示意圖。
l) 超級(jí)電容器驅(qū)動(dòng)下壓力子傳感器的輸出性能。數(shù)據(jù)來(lái)源：[350] Elsevier出版社，2018年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
注：該圖總結(jié)了柔性傳感器領(lǐng)域通過(guò)機(jī)械能采集（壓電/摩擦電）、環(huán)境能源利用（太陽(yáng)能、熱能、汗液化學(xué)能）及柔性儲(chǔ)能器件（鋅-空氣電池、超級(jí)電容器）實(shí)現(xiàn)自供能的多樣化策略，展示了從單一供能到多源協(xié)同的集成化設(shè)計(jì)進(jìn)展。
圖9：軟多功能傳感器面臨的核心挑戰(zhàn)
1、材料開(kāi)發(fā)與制造挑戰(zhàn)
3D打印材料需兼顧導(dǎo)電性、機(jī)械柔韌性和環(huán)境穩(wěn)定性，但制造過(guò)程易受工藝參數(shù)影響1。刺激響應(yīng)水凝膠在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)載荷下易發(fā)生結(jié)構(gòu)退化，導(dǎo)致性能衰減3。
2、多物理場(chǎng)耦合與信號(hào)解耦挑戰(zhàn)
集成壓力、溫度、化學(xué)等多模態(tài)感知需解決信號(hào)串?dāng)_，現(xiàn)有解耦算法難以兼顧實(shí)時(shí)性與精度2。水凝膠系統(tǒng)在同時(shí)響應(yīng)物理和化學(xué)刺激時(shí)，信號(hào)耦合效應(yīng)顯著增強(qiáng)3。
3、傳感器性能優(yōu)化瓶頸
柔性應(yīng)變傳感器存在電阻信號(hào)與機(jī)械形變的非線性滯后，限制高精度測(cè)量場(chǎng)景應(yīng)用4。
4、深層組織信號(hào)感知難題
現(xiàn)有柔性設(shè)備主要采集表皮信號(hào)，對(duì)肌肉活動(dòng)、內(nèi)臟壓力等深層生物力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)缺乏有效手段5。
5、標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)模化生產(chǎn)壁壘
缺乏統(tǒng)一的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，不同研究團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)可比性低2。3D打印等新型工藝在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)面臨良率與成本控制問(wèn)題1。
未來(lái)研究將聚焦四大方向：
00001.
多刺激解耦：通過(guò)多傳感機(jī)制集成或子傳感器陣列設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種刺激的獨(dú)立檢測(cè)，避免信號(hào)干擾。
00002.
智能數(shù)據(jù)處理：結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算（NC），高效處理海量傳感數(shù)據(jù)，推動(dòng)實(shí)時(shí)分析與邊緣計(jì)算。
00003.
皮膚適應(yīng)性優(yōu)化：開(kāi)發(fā)超薄柔性基底（如智能紋身、納米網(wǎng)）和仿生粘附技術(shù)，提升穿戴舒適性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
00004.
可持續(xù)能源供給：探索自供電方案（如摩擦發(fā)電、光能收集）以替代傳統(tǒng)電池，增強(qiáng)設(shè)備便攜性與環(huán)境友好性。
未來(lái)展望
盡管軟多功能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康和智能機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，仍面臨多模態(tài)信號(hào)耦合干擾、長(zhǎng)期耐久性不足及大規(guī)模制造工藝瓶頸等挑戰(zhàn)。未來(lái)需通過(guò)跨學(xué)科合作，融合材料科學(xué)、人工智能和微納加工技術(shù)，推動(dòng)傳感器向更高集成度、更低功耗和更廣泛場(chǎng)景應(yīng)用發(fā)展。突破這些技術(shù)壁壘將加速柔性電子與人類生活的深度融合，為數(shù)字化社會(huì)提供更智能、更自然的交互方式。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
