ACS Nano主编领衔，142位作者总结的柔性传感器“技术路线图”

人类历史上，有记录的传感器或许可以追溯到公元前3世纪，由拜占庭帝国的Philo发明的测温仪，以及132年张衡发明的地动仪。那时的传感器，只是将物理量转换为易于观察的机械输出。直到电的发现以及发电机的发明，传感器进入崭新的时代，可以将物理量转变为电信号，从而实现控制功能。随着电子器件小型化和集成度的提高，传感器进入新的时代，再加上与广泛普及的智能手机等个人电子设备相结合，传感器渗透到生活的方方面面。近年来，物联网、工业4.0、大数据、人工智能、机器人和数字健康的进步，正在推进传感器向更加互联和智能的方向发展。

传感器技术的发展。图片来源：ACS Nano

近日，来自全球不同地区的142位科学家，在ACS Nano 杂志上发表综述，描绘了柔性传感器在过去十几年中取得的快速进展、论述了阻碍技术发展的瓶颈，提出了有前途的解决方案，希望通过引导不同地区的协调发展，合作努力，更快地在科学和技术层面取得突破。通讯作者为ACS Nano 杂志主编、新加坡南洋理工大学陈晓东教授。

柔性传感器。图片来源：ACS Nano

自21世纪初以来，柔性传感器展示出惊人的发展速度和巨大的应用潜力。尽管取得了重大的研究成果，但柔性传感器的市场化进程往往达不到预期水平。研究者从传感器性能及挑战、传感器-生物接口、供电和连接问题、以及商业化和可持续增长等几个方面展开讨论，希望可以找到一条通往柔性传感器未来的道路。

综述涵盖的问题讨论及需要解决的问题。图片来源：ACS Nano

柔性传感器的技术要求，既包括传感器领域经典的3S指标——稳定性、选择性和灵敏度，又包括柔性传感器独有的方面，如对机械变形的耐受性和柔性传感阵列集成。

柔性传感器性能的关键问题概述。图片来源：ACS Nano

稳定性是最大的挑战，需要有效的封装材料和策略。与温度相关的不稳定性是所有传感器需要面对的问题，而生物污染和生物受体不稳定性则是可穿戴生物传感器的关键。选择性是机械传感器、生物传感器和气体传感器的瓶颈，特异性材料和选择性传感阵列或许是目前提高选择性的两种最有效方法。同时实现高灵敏度、宽传感范围和信号线性是机械传感器面临的主要挑战，灵敏度更是生物传感器检测临床相关的低浓度生物标志物的关键挑战。此外，响应时间和滞后性、应变依赖等，也在一定程度上制约着柔性传感器的市场化进程。

气体传感器的选择性方案。图片来源：ACS Nano

机械变形是柔性传感器中的一大问题，脆弱的软硬接口处是最突出的挑战。针对柔性混合系统的互连问题，人们提出了很多解决方案，提高界面粘附力和采用逐渐改变模量的方式是目前最常用的解决方法，但效果都并不理想。近年来，水凝胶等离子导电材料为柔性传感器提供了足够大的弹性变形范围，然而，对于反复变形的传感器，抗疲劳性能、裂纹形成问题，以及柔性传感器如何在变形情况下保持稳定、解耦输出信号、抵抗机械损坏等问题，都还是不小的挑战，还有很多工作要做。

柔性传感器的互连方法。图片来源：ACS Nano

阵列集成是评价柔性传感器性能所看重的第三个方面，紧凑又简单的设计、高密度集成、可寻址性和有效的刺激解耦等，都是亟待解决的问题。具有可拉伸性的低阻抗互连和高性能晶体管阵列或许具有潜力，超声波和光声成像器对阵列信号的读写提出了更高的要求，多模态传感也成为传感器阵列的一项重要特征，基于量子点的光电探测器为解决这一问题提供了线索。

时分多路控制阵列和事件驱动尖峰控制阵列。图片来源：ACS Nano

在设计生物界面材料时，柔软的、可拉伸的、贴合的、生物相容的、可生物降解的、电化学相容和生长适应性的材料是最理想的，其中生物相容性是重中之重。电源和数据通信对系统性能也有重要影响，降低功耗、克服与人体相关的干扰和约束、增强数据安全性是柔性传感系统的首要问题。

智能传感系统的愿景。图片来源：ACS Nano

不过，从实验室走向市场化，柔性传感器还面临着许多严峻的挑战，将制造能力扩大到工业规模对于商业化至关重要。特别涉及印刷电子学、功能聚合物加工、纳米材料生产及系统集成领域，需要科研界和工程界共同努力，提出更有前途的解决方案。此外，关于数据隐私、用户安全、道德、质量保证、工人安全和环境影响的相关法规和行业标准的制定，也是保障柔性传感器技术领域发展的关键一环。

用于生物集成的柔性传感器及系统。图片来源：ACS Nano

最后，研究者对柔性传感器及系统的发展轨迹，提出了一个全面的技术路线图。该路线图旨在将不同研究领域的点连接起来，以实现共同和长期目标，并促进颠覆性的非线性技术进步，以实现无处不在的灵活传感器的未来。路线图包含六个方面——尺寸、电学性能、机械性能、外形、功能和碳足迹——勾勒出一个广泛的柔性传感器发展方向，为实现多领域、跨学科合作及快速增长的发展战略提供指导。

柔性传感器的技术路线图。图片来源：ACS Nano

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Technology Roadmap for Flexible Sensors

Yifei Luo, Mohammad Reza Abidian, Jong-Hyun Ahn, Deji Akinwande, Anne M. Andrews, Markus Antonietti, Zhenan Bao, Magnus Berggren, Christopher A. Berkey, Christopher John Bettinger, Jun Chen, Peng Chen, Wenlong Cheng, Xu Cheng, Seon-Jin Choi, Alex Chortos, Canan Dagdeviren, Reinhold H. Dauskardt, Chong-an Di, Michael D. Dickey, Xiangfeng Duan, Antonio Facchetti, Zhiyong Fan, Yin Fang, Jianyou Feng, Xue Feng, Huajian Gao, Wei Gao, Xiwen Gong, Chuan Fei Guo, Xiaojun Guo, Martin C. Hartel, Zihan He, John S. Ho, Youfan Hu, Qiyao Huang, Yu Huang, Fengwei Huo, Muhammad M. Hussain, Ali Javey, Unyong Jeong, Chen Jiang, Xingyu Jiang, Jiheong Kang, Daniil Karnaushenko, Ali Khademhosseini, Dae-Hyeong Kim, Il-Doo Kim, Dmitry Kireev, Lingxuan Kong, Chengkuo Lee, Nae-Eung Lee, Pooi See Lee, Tae-Woo Lee, Fengyu Li, Jinxing Li, Cuiyuan Liang, Chwee Teck Lim, Yuanjing Lin, Darren J. Lipomi, Jia Liu, Kai Liu, Nan Liu, Ren Liu, Yuxin Liu, Yuxuan Liu, Zhiyuan Liu, Zhuangjian Liu, Xian Jun Loh, Nanshu Lu, Zhisheng Lv, Shlomo Magdassi, George G. Malliaras, Naoji Matsuhisa, Arokia Nathan, Simiao Niu, Jieming Pan, Changhyun Pang, Qibing Pei, Huisheng Peng, Dianpeng Qi, Huaying Ren, John A. Rogers, Aaron Rowe, Oliver G. Schmidt, Tsuyoshi Sekitani, Dae-Gyo Seo, Guozhen Shen, Xing Sheng, Qiongfeng Shi, Takao Someya, Yanlin Song, Eleni Stavrinidou, Meng Su, Xuemei Sun, Kuniharu Takei, Xiao-Ming Tao, Benjamin C. K. Tee, Aaron Voon-Yew Thean, Tran Quang Trung, Changjin Wan, Huiliang Wang, Joseph Wang, Ming Wang, Sihong Wang, Ting Wang, Zhong Lin Wang, Paul S. Weiss, Hanqi Wen, Sheng Xu, Tailin Xu, Hongping Yan, Xuzhou Yan, Hui Yang, Le Yang, Shuaijian Yang, Lan Yin, Cunjiang Yu, Guihua Yu, Jing Yu, Shu-Hong Yu, Xinge Yu, Evgeny Zamburg, Haixia Zhang, Xiangyu Zhang, Xiaosheng Zhang, Xueji Zhang, Yihui Zhang, Yu Zhang, Siyuan Zhao, Xuanhe Zhao, Yuanjin Zheng, Yu-Qing Zheng, Zijian Zheng, Tao Zhou, Bowen Zhu, Ming Zhu, Rong Zhu, Yangzhi Zhu, Yong Zhu, Guijin Zou, and Xiaodong Chen*

ACS Nano, 2023, 17, 5211–5295, DOI: 10.1021/acsnano.2c12606

（本文由小希供稿）