隨著柔性電子時代的到來，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，成為近年來的研究熱點。本文綜述了軟多功能傳感器的關(guān)鍵特性、應(yīng)用場景、材料創(chuàng)新及未來技術(shù)趨勢，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，能夠無縫貼合人體皮膚或復(fù)雜曲面，同時檢測多種外部刺激。其主要目標(biāo)刺激包括
應(yīng)變、壓力、振動、溫度、濕度及生化標(biāo)志物，覆蓋從健康監(jiān)測（如運動追蹤、汗液分析）到環(huán)境感知（如溫濕度檢測）的廣泛場景。例如，通過電阻或電容變化監(jiān)測應(yīng)變，可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康評估或智能假肢控制；而壓力傳感在醫(yī)療診斷和機器人觸覺反饋中至關(guān)重要。
材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
近年來，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、共形貼合性差的問題。
圖1：軟多功能傳感器的演變與未來方向
圖2：軟多功能傳感器的主要檢測目標(biāo)與性能
a) 電阻式傳感器在施加應(yīng)變時的相對電阻變化（ΔR/R?）。數(shù)據(jù)來源：[108] 美國化學(xué)學(xué)會，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環(huán)境中的電壓輸出波形及頻譜圖。數(shù)據(jù)來源： 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電阻響應(yīng)（ΔR/R?）。數(shù)據(jù)來源： Wiley-VCH出版社，2021年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
e) 電容式傳感器對相對濕度（RH）變化的電容響應(yīng)。數(shù)據(jù)來源： Wiley-VCH出版社，2019年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
f) 摩擦電式傳感器對Na?、K?和Ca²?離子的選擇性檢測能力。數(shù)據(jù)來源：[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不同目標(biāo)刺激（應(yīng)變、壓力、振動、溫度、濕度、離子濃度）的檢測性能，涵蓋電阻式、電容式及摩擦電式傳感機制，引用文獻均標(biāo)注原始數(shù)據(jù)來源與版權(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)來源：[230] 美國科學(xué)促進協(xié)會，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) 傳感器在壓力無關(guān)條件下的溫度響應(yīng)及 e) 溫度無關(guān)條件下的壓力響應(yīng)。數(shù)據(jù)來源： 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)來源： 美國科學(xué)促進協(xié)會，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。數(shù)據(jù)來源：[112] Wiley-VCH出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
注：該圖展示了通過材料選擇（如離子導(dǎo)體、功能化薄膜）與結(jié)構(gòu)設(shè)計（如分傳感器陣列、微穹頂圖案化）實現(xiàn)壓力、溫度、應(yīng)變等多參數(shù)獨立檢測的策略，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)引用自不同文獻。
圖6：軟多功能傳感器的性能優(yōu)化與實際應(yīng)用驗證
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，展示溫度自補償特性。
b) 多層級微結(jié)構(gòu)設(shè)計（仿生褶皺/多孔）對壓力靈敏度（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)運動監(jiān)測（腕部彎曲、手指抓握）中的實時信號輸出與噪聲抑制能力。
d) 多參數(shù)同步檢測示例：外界壓力（5 kPa）、溫度變化（ΔT=15℃）與表面濕度（60% RH）的解耦信號輸出。
數(shù)據(jù)來源：結(jié)合正文第4.2節(jié)“動態(tài)性能優(yōu)化”及補充材料S3（實驗重復(fù)性驗證），數(shù)據(jù)統(tǒng)計基于n=5次獨立測試。
圖7：實現(xiàn)優(yōu)異皮膚貼合性的策略設(shè)計
a) 章魚仿生粘附貼片的實物照片與掃描電鏡（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”繪制過程實物圖。數(shù)據(jù)來源：[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)來源：[306] 美國化學(xué)學(xué)會，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)來源：[311] 美國化學(xué)學(xué)會，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)實物照片與SEM圖像。數(shù)據(jù)來源：[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)狀壓力傳感器實物照片。數(shù)據(jù)來源：[314] 美國科學(xué)促進協(xié)會，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
k) 通過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物對比。數(shù)據(jù)來源：[318] Wiley-VCH出版社，2021年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
注：該圖展示了通過仿生粘附材料（如章魚吸盤結(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)實驗數(shù)據(jù)引用自不同文獻。
圖8：柔性多功能傳感器的供能策略
a) 由機械能驅(qū)動的自供能多功能傳感器示意圖。
b) 傳感器在不同機械刺激下的自生電壓輸出。數(shù)據(jù)來源： Wiley-VCH出版社，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
c) 由機械能與熱能聯(lián)合驅(qū)動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)來源： Wiley-VCH出版社，2020年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
e) 由太陽能驅(qū)動的柔性自供能集成傳感系統(tǒng)示意圖。
f) 集成系統(tǒng)在脈搏信號與手指運動下的輸出電流測量結(jié)果。數(shù)據(jù)來源：[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) 電池充電后不同時間點傳感器測量的脈搏波信號。數(shù)據(jù)來源：[341] Elsevier出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
i) 由四個集成汗液激活電池供能的柔性多功能微電子器件實物照片。
j) 佩戴該微電子器件者在徒步過程中通過汗液電池供能測量的脈搏頻率與皮膚溫度。數(shù)據(jù)來源：Elsevier出版社，2022年（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載）。
k) 由柔性超級電容器供能的柔性多功能傳感器系統(tǒng)示意圖。
l) 超級電容器驅(qū)動下壓力子傳感器的輸出性能。數(shù)據(jù)來源：[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)域通過機械能采集（壓電/摩擦電）、環(huán)境能源利用（太陽能、熱能、汗液化學(xué)能）及柔性儲能器件（鋅-空氣電池、超級電容器）實現(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)計進展。
圖9：軟多功能傳感器面臨的核心挑戰(zhàn)
1、材料開發(fā)與制造挑戰(zhàn)
3D打印材料需兼顧導(dǎo)電性、機械柔韌性和環(huán)境穩(wěn)定性，但制造過程易受工藝參數(shù)影響1。刺激響應(yīng)水凝膠在長期動態(tài)載荷下易發(fā)生結(jié)構(gòu)退化，導(dǎo)致性能衰減3。
2、多物理場耦合與信號解耦挑戰(zhàn)
集成壓力、溫度、化學(xué)等多模態(tài)感知需解決信號串?dāng)_，現(xiàn)有解耦算法難以兼顧實時性與精度2。水凝膠系統(tǒng)在同時響應(yīng)物理和化學(xué)刺激時，信號耦合效應(yīng)顯著增強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與機械形變的非線性滯后，限制高精度測量場景應(yīng)用4。
4、深層組織信號感知難題
現(xiàn)有柔性設(shè)備主要采集表皮信號，對肌肉活動、內(nèi)臟壓力等深層生物力學(xué)參數(shù)的檢測缺乏有效手段5。
5、標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)模化生產(chǎn)壁壘
缺乏統(tǒng)一的性能評估標(biāo)準(zhǔn)，不同研究團隊的數(shù)據(jù)可比性低2。3D打印等新型工藝在大規(guī)模生產(chǎn)時面臨良率與成本控制問題1。
未來研究將聚焦四大方向：
00001.
多刺激解耦：通過多傳感機制集成或子傳感器陣列設(shè)計，實現(xiàn)多種刺激的獨立檢測，避免信號干擾。
00002.
智能數(shù)據(jù)處理：結(jié)合機器學(xué)習(xí)（ML）與神經(jīng)形態(tài)計算（NC），高效處理海量傳感數(shù)據(jù)，推動實時分析與邊緣計算。
00003.
皮膚適應(yīng)性優(yōu)化：開發(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，增強設(shè)備便攜性與環(huán)境友好性。
未來展望
盡管軟多功能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康和智能機器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，仍面臨多模態(tài)信號耦合干擾、長期耐久性不足及大規(guī)模制造工藝瓶頸等挑戰(zhàn)。未來需通過跨學(xué)科合作，融合材料科學(xué)、人工智能和微納加工技術(shù)，推動傳感器向更高集成度、更低功耗和更廣泛場景應(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)字化社會提供更智能、更自然的交互方式。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
