柔性物理或化學(xué)傳感器10大最新研究成果

　　自然界中，生物體能對(duì)外界環(huán)境的刺激做出準(zhǔn)確而迅速的響應(yīng)，這是歷經(jīng)億萬(wàn)年自然選擇的結(jié)果，也是生命的重要特征。隨著材料學(xué)科的發(fā)展以及對(duì)材料性能的需求逐步提高，人們期望人造材料能夠?qū)ν饨绱碳ぷ龀鲆欢ǔ潭鹊母兄蚍答?，即具有比擬生物體的環(huán)境響應(yīng)性。因此，環(huán)境響應(yīng)型材料可以定義為對(duì)外界物理或化學(xué)刺激，諸如溫度、pH值、光場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、以及應(yīng)力等的變化，其自身性質(zhì)發(fā)生可逆改變的材料。然而傳統(tǒng)環(huán)境響應(yīng)材料主要為高分子材料，如水凝膠等，尚存在機(jī)械性能差、功能單一、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，極大限制了其應(yīng)用。近年來(lái)科學(xué)家嘗試通過(guò)納米技術(shù)提高環(huán)境響應(yīng)材料的性能。 穿戴式傳感器技術(shù)對(duì)于通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)個(gè)人健康狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)學(xué)至關(guān)重要。生理信息可以進(jìn)行非侵入性監(jiān)測(cè)。以前報(bào)道的基于汗液和其他非侵入性生物傳感器一次只能監(jiān)測(cè)單個(gè)分析物，或者缺乏現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理電路和傳感器校準(zhǔn)機(jī)制，以準(zhǔn)確分析生理狀態(tài)。汗液分泌的復(fù)雜性，目標(biāo)生物標(biāo)志物的同時(shí)和多重篩選是至關(guān)重要的，需要全面的系統(tǒng)整合以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。提供機(jī)械靈活和完全集成(即不需要外部分析)傳感器陣列，用于多次原位排汗分析，同時(shí)和選擇性地測(cè)量汗液代謝物(如葡萄糖和乳酸)和電解質(zhì)(如鈉和鉀)離子)，以及皮膚溫度(以校準(zhǔn)傳感器的響應(yīng))。通過(guò)將與皮膚接觸的基于塑料的傳感器與固定在柔性電路板上的硅集成電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理，從而彌合了可穿戴式生物傳感器中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)理(擴(kuò)增和濾波)，處理和無(wú)線傳輸之間的技術(shù)差距。由于它們各自的固有限制，本應(yīng)用程序無(wú)法單獨(dú)使用這些技術(shù)之一實(shí)現(xiàn)。穿戴式系統(tǒng)用于測(cè)量從事長(zhǎng)時(shí)間室內(nèi)和室外體力活動(dòng)的人類受試者的詳細(xì)汗水分布，并對(duì)受試者的生理狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。該平臺(tái)能夠進(jìn)行廣泛的個(gè)性化診斷和生理監(jiān)測(cè)應(yīng)用。因此，在追求高性能目標(biāo)的同時(shí)，通過(guò)對(duì)其組分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予其環(huán)境響應(yīng)的功能，并且進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)多功能傳感器件集成以構(gòu)筑類智能復(fù)合傳感檢測(cè)系統(tǒng)。本文匯總了柔性物理或化學(xué)傳感器10篇最新研究成果，包括Nature、 Nat. Nanotechnol.、Advanced Materials、Materials Today、 Sci. Adv.等頂級(jí)期刊，如圖1所示。

　　圖1 期刊分布

　　【文獻(xiàn)導(dǎo)讀】

　　1. Nature：基于本征可拉伸晶體管陣列可擴(kuò)展制備工藝的類皮膚電子器件

　　近日，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了可對(duì)不同本征可拉伸材料實(shí)現(xiàn)高成品率和器件性能均勻的制備工藝，并實(shí)現(xiàn)了晶體管密度為347/ cm2的內(nèi)在可拉伸聚合物晶體管陣列，這是迄今為止在所有已報(bào)道的柔性可拉伸晶體管陣列中的最高密度。該陣列的平均載流子遷移率可與非晶硅相當(dāng)，在經(jīng)過(guò)1000次100%應(yīng)變循環(huán)測(cè)試后也只有輕微改變，同時(shí)，還無(wú)電流-電壓遲滯?；谏鲜鲋圃旃に嚕搱F(tuán)隊(duì)首次研發(fā)出皮膚一樣屬性的可拉伸集成電路元件，如有源陣列與傳感器陣列集成的可拉伸觸覺(jué)電路，可粘附到人體皮膚表面，使柔性電子裝置佩戴或使用更加舒適。其所開(kāi)發(fā)的工藝為結(jié)合其他內(nèi)在可拉伸聚合物材料提供了一個(gè)通用加工平臺(tái)，使制造下一代可拉伸類皮膚電子器件成為可能。

　　2. Nat. Nanotechnol.：基于石墨烯的具有路徑選擇性和特異性的無(wú)創(chuàng)、透皮葡萄糖監(jiān)測(cè)

　　在世界范圍內(nèi)，糖尿病的發(fā)生率在不斷增高，而人體內(nèi)血糖濃度的監(jiān)測(cè)成為糖尿病患者護(hù)理的基本保障。目前，主要的血糖監(jiān)測(cè)手段是通過(guò)手指的侵入式血液采集實(shí)現(xiàn)，這種方式必然會(huì)帶來(lái)一定的疼痛和不適，最近開(kāi)發(fā)的可植入式、微針型傳感器不能適用于大多數(shù)的2型糖尿病患者。因而，截止目前，針對(duì)糖尿病患者血糖監(jiān)測(cè)的無(wú)針?lè)椒ㄟ€沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。近日，英國(guó)巴斯大學(xué)的Adelina Ilie教授課題組，設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種新型體內(nèi)葡萄糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是從皮膚中毛囊的組織液中采集葡萄糖，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)葡萄糖監(jiān)測(cè)，對(duì)于開(kāi)發(fā)針對(duì)糖尿病患者等的非侵入式血糖監(jiān)測(cè)具有重要價(jià)值。研究還發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)人體內(nèi)血糖濃度。

　　3. Adv. Funct. Mater.：對(duì)法向-切向力具有相反電阻響應(yīng)傳感器助力高靈敏人造皮膚

　　為了和外界環(huán)境兼容以及可附在3D結(jié)構(gòu)上，可穿戴電子皮膚要求是柔性且可拉伸。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，已經(jīng)發(fā)展了具有多功能的柔性電子皮膚，其中因?yàn)槿嵝粤鞲衅髟谥悄芙K端的巨大應(yīng)用，所以發(fā)展最快。為了實(shí)際探測(cè)，實(shí)現(xiàn)電子皮膚對(duì)法向壓力和切向摩擦力的實(shí)時(shí)探測(cè)和區(qū)分是非常重要的。相比當(dāng)前柔性壓力傳感器或壓力-應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)法向和切向力探測(cè)電子皮膚的研究是非常有限的。對(duì)于這類電子皮膚的發(fā)展有三個(gè)挑戰(zhàn)：(1)實(shí)現(xiàn)電子皮膚三個(gè)方向力探測(cè);(2)實(shí)現(xiàn)不同類型力的法向和切向區(qū)分;(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可大規(guī)模制備。這里，研究人員開(kāi)創(chuàng)新的利用多孔碳納米管(CNTs)/氧化石墨烯(GO)@聚二甲硅氧烷(PDMS)層構(gòu)建了全柔性和多方向拉伸的力傳感器。這種獨(dú)特的電子皮膚具有好的穩(wěn)定性和高靈敏度(傳感器對(duì)切向摩擦力的最高響應(yīng)因子高達(dá)2.26)。并且對(duì)壓力和摩擦力的電阻響應(yīng)相反，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力和摩擦力的實(shí)時(shí)探測(cè)和電信號(hào)區(qū)分。近日，電子科技大學(xué)宋遠(yuǎn)強(qiáng)副教授、張懷武教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)解維華教授(共同通訊作者)研究小組聯(lián)合研發(fā)出一款可同時(shí)感應(yīng)壓力和摩擦力的柔性電子皮膚。研究者通過(guò)制備特殊的石墨烯包裹氯化鈉(GO@NaCl)粉體作為致孔劑輔助自組裝過(guò)程制備了基于CNTs/GO@PDMS復(fù)合三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電子皮膚。該電子皮膚可同時(shí)對(duì)縱向壓力和切向摩擦力產(chǎn)生響應(yīng)，并且壓力和摩擦力導(dǎo)致的電阻變化方向相反。該電子皮膚尤其對(duì)摩擦力具有極佳的靈敏度(在1KPa壓力下，摩擦力靈敏度因子高達(dá)2.26)。在功能應(yīng)用上，所制電子皮膚可以實(shí)現(xiàn)手腕脈搏實(shí)時(shí)檢測(cè)、辨別不同表面粗糙度、探測(cè)人體呼吸、感知音樂(lè)帶來(lái)的空氣震動(dòng)等。