潜力巨大的柔性传感器为什么这么难发展？142位学者联手，发表这篇重磅论文！-电子发烧友网

3月9日，来自全球的142位顶尖学者，联合在著名学术期刊ACS Nano，发表了一篇关于柔性传感器的综述论文，该论文题为“Technology Roadmap for Flexible Sensors”（“柔性传感器的技术路线图”），通讯作者为新加坡南洋理工大学陈晓东。

该论文从柔性传感器性能、传感器-生物接口、柔性传感器供电、柔性传感器网络，以及柔性传感器面临的非技术问题：商业、监管、道德伦理等等，阐述阻碍柔性传感器成熟的瓶颈，并提出了有意义的解决方案。

该论文作者阵容庞大，来自全球不同地区的142位顶尖科学家，旨在通过引导不同地区的协调发展，合作努力，更快地取得科学突破，并将柔性传感器用于造福人类。

《Technology Roadmap for Flexible Sensors》论文原文可以在ACS Nano官网下载，或在传感器专家网公众号回复关键词【资料下载】，获取下载链接，在资源下载页面找到对应论文资料下载即可。

以下是该论文概览性内容翻译，更完整论述请查看该论文原文。

传感器发展阶段与柔性传感器定义

生物都配备了光、声、气味等生物感官系统，用来监测和适应环境。对人类而言，除了自然感官之外，人类还使用人工制造的传感器，来增强我们感知世界的自然能力，使我们能够与环境互动并改善我们的生活条件。

人类历史上第一个有记录的传感器，是公元前 3 世纪拜占庭人发明的，用于温度变化检测的测温仪。而在中国，早在公元132年，张衡就发明了地动仪，用来探测地震的发生并估计地震的方向。

早期的传感器（我们定义为传感器 1.0），将物理量/事件转换为易于观察的机械输出。

后来，随着电的发现和发电机的发明，传感器被设计成将物理参数转换为电信号，从而实现控制功能。例如，Warren Johnson于 1883 年发明的电子测温仪，不仅可以监测温度，还具备自动调节温度控制系统的功能。这标志着传感器 2.0 时代的到来。

进入传感器 3.0，电子行业推动了传感器的小型化和与其他电子元件的集成，催生了智能手机和智能手表等智能设备，数十个传感器共同提供了令人印象深刻的用户体验。

近年来，物联网 (IoT)、工业 4.0、大数据、人工智能 (AI)、机器人和数字健康等领域的进步，促使传感器变得更加互联和智能，进入传感器 4.0。例如，大量种类繁多的传感器被嵌入到具有无线连接功能的自动驾驶汽车中，以实现自动驾驶，而集成 AI 的物联网传感器，则为建筑物和工业设施的能源管理提供了有效的解决方案。

然而，这些传统的传感器技术，通常基于金属陶瓷等刚性材料，虽然高度集成和小型化的现代传感器足以作为智能电子/机器的组件，但它们小而硬的外形限制了它们在许多应用中的使用，例如医疗保健可穿戴设备、交互式机器人、智能包装和建筑集成电子。

在这些应用中，亟需柔性传感器。柔性传感器可以测量动态、或形状变化的物体和大面积的非平面，由于其机械柔韧性和可拉伸性、形状适应性和制造的可扩展性，传统刚性传感器通常难以应对。

在这篇综述中，我们广泛地定义了柔性传感器，包括所有类型的能够承受机械变形的传感器 (>10 m –1弯曲曲率或设备/系统上 >1% 的应变），而不会出现设备故障或传感性能发生重大变化。包括所有可弯曲、可卷曲、可折叠、可拉伸、可扭曲和贴合的传感器。

▲刚性传感器与柔性传感器指标对比

自21世纪初以来，柔性传感器的发展已经非常成熟。从塑料薄膜上的压力传感器阵列开始，柔性传感器现在涵盖了广泛的物理和化学传感方式，包括温度、应变、电生理、离子、生物标志物、代谢物、气体等等。而基质不限于塑料薄膜，也可以是超薄塑料薄膜、多孔聚合物垫/网、弹性材料和水凝胶。

尽管取得了重大的研究成就，但柔性传感器的采用和市场往往没有达到预测的水平。一些柔性传感器要满足现实世界提出的严格要求，还有很长的路要走。

柔性传感器技术性能及挑战

▲柔性传感器技术性能关键问题

稳定性、选择性和灵敏度是用于评估传感器性能的主要指标，对于柔性传感器这仍然适用，此外，柔性传感器独有的方面，包括对机械变形的耐受性和整体集成到大型区域传感阵列，因此在该论文中，作者从稳定性、选择性和灵敏度，以及柔性传感器独有的其他方面特性（主要是机械性能），四个方面进行比较柔性传感器性能指标与传统刚性传感器的差异。

1、稳定性

稳定性对于传感器至关重要，因为它要确保在不断变化的环境中可重复和可靠地使用，特别是对于长期监测。

柔性传感器的稳定性挑战通常源于其制造过程中使用的有机和聚合材料，这些材料往往会随着时间的推移而退化，并且其特性很容易被环境因素改变。

此外，包含生物受体的可穿戴生物传感器面临额外的生物不稳定性，例如柔性传感器所处的降解环境，例如存在极端物理化学应力的体内组织和生物流体，深海和高海拔地区等，都加剧了这一挑战。

应对稳定性挑战的最直接有效的方法，是提高传感器材料的环境稳定性。将传统的刚性传感器材料设计成柔性和可拉伸的形状因素是一种有效的方法，但制造的复杂性会限制可扩展性和成本效益。

当刺激物和传感材料之间不需要直接接触时（例如，一些机械、温度和光传感器），更可行的方法是在敏感材料和整个设备上施加保护层。为此，对高性能湿气和氧气阻隔材料的需求量很大。

稳定性是柔性化学传感器面临的重大挑战，尤其是可穿戴生物传感器，其中生物污垢和生物受体失活是影响长期（几天）传感器性能的两个主要因素。

在可穿戴应用不受控制的条件下（例如，温度和 pH的改变），固定化生物受体的低稳定性是另一个问题。诸如酶之类的生物受体可以很容易地从流体环境中的锚定底物/电极上分离，并在其操作窗口之外失去其识别功能。

稳定性是传感器实用性的核心，但在学术研究中经常被忽视。我们敦促研究界更加重视稳定性，以推动柔性传感器更接近商业化。

2、选择性

选择性是指传感器区分目标分析物和可能的干扰物的能力。在实际应用场景中，通常同时存在多种化学物质和机械力，它们通过相似的机制与传感材料相互作用，从而产生模糊的传感器响应，使所需要的信号无法被监测。

传感器选择性有两种通用方法：特定传感器和选择性传感器阵列。理想情况下，某个特定的传感器只对一种分析物有反应，而这样的传感器阵列可以指明混合物的确切成分，而不需要大量的数据分析。但是这种特定的传感器通常很难实现。

相反，在选择性传感器阵列中，每个传感器对一组分析物的响应不同，并且阵列响应共同产生混合物的指纹图谱。然后通过适当的数据分析，可以确定混合物成分。这两个原理广泛应用于机械传感器、生物传感器和气体传感器。

在选择性上值得一提的是生物传感器。生物传感器用于分析生物样品中存在的复杂混合物，其中可能包含离子、小分子（代谢物、细胞因子、脂质、神经递质等）、大分子（肽、蛋白质、核酸等），甚至病毒、细菌和细胞。

在分析通常存在密切相关的干扰物（例如，生物前体和代谢物）的复杂混合物时，选择性变得至关重要。在这方面，大自然提供了许多生物识别元件，通过与代谢物和生物标志物的相互作用提供高特异性。

利用基于生物亲和力的受体，包括柔性生物传感器上的离子载体、DNA/RNA、适配体和抗体，可以选择原位靶标识别，虽然有时以复杂的制造和处理为代价，以及相对较差的稳定性。

3、灵敏度

高灵敏度允许传感器检测刺激中的微小变化，减少假阴性信号，并提高信噪比和准确性。大多数灵活的物理传感器（例如，机械传感器、温度传感器、光电探测器）的灵敏度足以满足常见应用。

一个值得关注的问题是，机械传感器的灵敏度和感应范围之间的权衡。相比之下，灵敏度更受化学传感器的关注，特别是检测生物流体中存在的低浓度分析物的生物传感器。

大多数机械传感器存在灵敏度和感应范围之间的权衡，以及非线性问题，并且对于压力传感器尤为突出。信号转换对灵敏度很重要——有效的转换可以放大事件信号以达到可测量的量值。

4、柔性传感器的独有特性（机械性能）

除了以上稳定性、选择性、灵敏度三个方面外，还有一些柔性传感器独有的问题，作者主要讨论了柔性传感器的机械变形问题、可穿戴生物传感器的传感能力、准确性的保证、传感器信号与物体状态之间的可靠关联、对机械变形和损坏的耐受性、长期使用和大变形的机械鲁棒性、软硬件接口、材料的抗疲劳等等，主要涉及柔性传感器的机械性能问题。

柔性传感器的一个主要优点是能够承受显着变形而不会出现物理故障或性能下降。此性能允许柔性传感器用在传统刚性传感器难以处理的许多用例，例如皮肤贴片/纹身和智能服装。尽管如此，这种灵活性也给在传感器与环境之间通常不可预测的机械相互作用下保持传感器的完整性和性能带来了巨大挑战。

机械稳健性（鲁棒性）描述了传感器承受不同形式的变形而不会出现机械故障的能力。一些极端情况包括异常大的应变和高冲击，长时间的循环应变和持续的摩擦。虽然可以使用高性能陶瓷、金属和热固性材料来保护传统的刚性传感器免受机械损坏，但柔性传感器的可变形性不允许以传统方式使用这些机械保护材料。

此外，由于柔性传感器中使用的材料种类繁多，每种材料都具有不同的机械特性（例如，弹性模量、泊松比、粘弹性）和表面特性（例如，表面能，化学成分），界面失配是导致机械不稳定性的主要因素。

柔性传感器经历的确切变形因应用而异，因此并不总是需要出色的机械鲁棒性。尽管如此，我们强调了最重要的问题，这些原则应该有利于许多柔性传感器的开发。

柔性传感器生物接口

柔性传感器的一个显着优势是能够完整地附着在非平面上，并在使用过程中承受动态变形。此功能使柔性传感器非常适合测量生物对象，包括人类、动物、植物，甚至组织和细胞。

当前，我们在开发生物接口柔性传感器方面已经付出了巨大的努力和取得了进展，但大多数距离转化为实际应用还很遥远。

生物接口传感器一方面应通过生物-非生物界面获取高质量的生物信号，另一方面，不应干扰生物有机体的正常功能。这些特性在很大程度上依赖于生物学和电子学之间的兼容界面，由于其独特的理化特性，除了前面讨论的传感性能问题之外，这一应用还提出了额外的挑战。

开发生物界面材料最重要的考虑因素是生物相容性。根据组织接触装置的位置和持续时间，执行所需的测试会有所不同。这些可能包括细胞毒性、致敏、刺激或皮内反应性、全身/急性毒性、亚急性和亚慢性毒性、遗传毒性等测试。

单独的细胞毒性测试不能确定生物相容性，并且不考虑组织接触的位置和持续时间的生物相容性是没有意义的，因为材料/设备对组织施加的生物效应因这两个因素而显着变化。

一个特定的生物相容性问题是免疫反应。免疫反应因人而异;有些人对声称对大多数用户群体具有生物相容性的材料过敏。例如，在极少数情况下，具有循环抗PEG（聚乙二醇）抗体的人可能会对PEG移植药物产生致命的过敏反应。应评估与超敏免疫系统相关的风险，并将其明确传达给潜在用户。

另一方面，尽管一些免疫反应对人体没有敌意和有害，例如纤维囊形成，其中没有发生严重的炎症，但绝缘胶囊会大大恶化传感器的性能。

目前的策略侧重于控制传感器的机械性能，例如通过减少厚度和利用软聚合物材料来降低弯曲刚度。然而，器件表面化学和形态在细胞-材料相互作用中也起着重要作用，应该探索可以实现生物接口兼容的传感器。

柔性传感器供电问题

电源是传感系统正常运行的基础。随着柔性传感器在更多用例中具有更先进的功能和多样化的外形尺寸，在可持续和可靠地为传感系统和网络供电方面出现了挑战。作者主要讨论了大功率环境能量收集器、大容量储能装置、高效无线电力传输、电源管理系统等方面。

集成传感系统的功耗包括传感器、信号处理电路、微控制器、通信模块等。以及这些元件之间的互连，能耗可以大大高于单独的传感器。同时，执行连续监控的系统需要恒定的电源。所有这些因素都导致了下一代柔性传感系统的高功率需求，而传统储能设备无法满足这些需求

传统刚性和笨重电池的外形因素阻碍了系统的小型化，并引入了软硬界面不稳定性，阻碍向紧凑和兼容的传感系统的发展。其次电池安全是一个重大问题，在与电池故障相关的火灾和爆炸事件发生后，电池安全成为人们关注的焦点。

对于以人为本的传感应用，电源系统的安全性至关重要。需要防事故设计，同时生物相容性和发热考虑因素也需要关注。现阶段，应对这些挑战有四种潜在解决方案，分别为环境能量收集器、储能设备、无线电力传输和系统电源管理。

通过在传感器供电系统中集成小型化环境能量收集器，将传感器周围的能量转换为可用电力。这种额外的能源提供的电力可以作为电池的额外电力，用于功率要求苛刻的系统，并且可能足以为设备或系统供电。

一些能量收集器还具有传感功能，因此可以用作自供电传感器。环境能量收集器使无电池传感器成为可能，大大简化了维护并减少了碳足迹。实现小型化环境能量收集器的方法主要有两种，分别为太阳能电池和摩擦电纳米发电机。

通过电化学储能器件（ESD）供电比原位能量收集更可靠。柔性传感器的常见ESD包括电池（锂离子电，锌离子电池等）和超级电容器。为柔性传感器设计ESD的目标包括高容量（高能量密度），薄型/难以察觉的外形（柔韧性，拉伸性，小型化）和高循环稳定性（电气和机械循环）。然而，这些目标往往涉及相互矛盾的材料和器件设计原则，为柔性传感器制定有效的ESD解决方案带来了重大挑战。

目前占主导地位的无线电力传输方法包括近场和远场射频（RF）技术。这些射频技术具有功率传输和数据通信功能，因此可以实现高度自主或一劳永逸的传感器，这些传感器重量轻、无需系绳且需要最少的维护，特别适用于自动化、安保、安全和生产力相关应用。

近场技术基于电感耦合和磁共振，远场技术基于辐射功率传输。近场技术可以实现高效的电力传输，但只能在有限的距离（几厘米）内实现，并且对发射器-接收器对齐有严格的要求。远场技术可以覆盖大面积（几平方米），但由于全向性，其电力传输效率低，容易受到阻碍干扰（尤其是来自人体的干扰）。

最后是电源管理，可以从多个角度实现系统级别的整体电源管理。首先，降低传感器系统中单个模块的功耗至关重要。最近为此所做的一些努力的例子包括：导致超低功率到零功率传感器的传感机制或材料工程，低功耗无线通信技术，具有超低开关电流密度的柔性存储器，以及具有超低驱动电压的柔性互补电路。此外，集成系统中的低阻抗互连对于提高电源效率也至关重要。其次，应考虑根据应用要求和约束因素组合多种能量收集和存储策略。

柔性传感器商业化问题

柔性传感器只有在走出实验室时才会产生社会影响。从实验室到最终用户的路线很棘手，因为柔性传感器的市场很复杂——它们不是一种单一类型的产品，也不是为单一应用提出的；产品和流程处于不同的技术准备阶段;制造柔性传感系统涉及跨越各种价值链的许多参与者；与传感技术相关的软件、数据和客户服务需要长期的可持续管理。在实现市场化的过程中面临着四方面的挑战。

首先，应确定柔性传感器可能成为主导技术的杀手级应用，以便集中和高效地进行研究和开发。

其次，需要有效的设计和制造策略来促进快速原型制作，其中可以对系统进行关键修改，以提高在现实环境中的可用性和可靠性。

第三，从实验室/原型规模到工业规模制造对于大规模部署至关重要。生产自动化和基本流程理解至关重要。

第四，针对非常规用例引起的问题的监管策略值得尽早关注，公司应确保他们遵守法规。

结语和展望

在现代社会以及大数据和数字化时代，传感器已成为不可或缺的。

为了实现大规模的传感秤和对无处不在的物体的传感，柔性传感器使我们能够在形状复杂和变形的表面上实现高保真测量，以及可以实现低成本大面积制造。这些特性使柔性传感器在各种应用中表现出色，例如可穿戴健康监测、智能包装和楼宇集成传感。

尽管研究势头强劲，进展迅速，但柔性传感器的行业和市场推广仍然面临着许多挑战，这篇综述提出一个全面的路线图，以期望将研究工作引向共同的目标，并指导来自不同社区的协调发展战略。

通过这样的合作努力，科学的突破可以更快取得，并为人类的进步提供资本。

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