2010年代末柔性電子設(shè)備的商業(yè)化標(biāo)志著柔性電子時(shí)代的到來(lái)，軟多功能傳感器作為核心組件成為研究熱點(diǎn)。本文概述其最新趨勢(shì)與未來(lái)十年發(fā)展方向：首先闡明其核心特性（如多刺激響應(yīng)、可拉伸性）與目標(biāo)檢測(cè)對(duì)象（應(yīng)變、溫度等）；其次提出材料選擇標(biāo)準(zhǔn)（導(dǎo)電性、生物相容性等）；進(jìn)而分析新興材料（水凝膠、液態(tài)金屬）與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（仿生、異質(zhì)集成）。基于當(dāng)前進(jìn)展，未來(lái)研發(fā)將聚焦四大方向：多重刺激信號(hào)解耦技術(shù)、邊緣數(shù)據(jù)處理能力、超薄皮膚貼合性及自供能解決方案。文末探討了技術(shù)挑戰(zhàn)（長(zhǎng)期穩(wěn)定性、規(guī)模化生產(chǎn)）與潛在應(yīng)用機(jī)遇（醫(yī)療監(jiān)測(cè)、智能機(jī)器人）。
物聯(lián)網(wǎng)的普及凸顯了傳感器在連接物理與數(shù)字世界中的關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)剛性傳感器因無(wú)法適應(yīng)曲面和多功能檢測(cè)而受限，促使軟多功能傳感器通過(guò)納米結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)突破。其優(yōu)勢(shì)在于：可共形貼附任意表面，同步檢測(cè)壓力、溫度等多種刺激，并涵蓋電阻/電容等九類傳感機(jī)制，各具特色（如電容式高線性度、摩擦電式自供電）。過(guò)去十年研究集中于提升靈敏度、響應(yīng)速度等基礎(chǔ)性能參數(shù)，但對(duì)新興趨勢(shì)（如可降解材料、AI驅(qū)動(dòng)傳感）的系統(tǒng)性分析不足。本文旨在填補(bǔ)該空白，為下一代柔性傳感技術(shù)提供前瞻性指導(dǎo)。
圖1. 軟多功能傳感器的演變與未來(lái)方向
解析：
圖1展示了軟多功能傳感器的演變歷程以及未來(lái)的發(fā)展方向。該圖通過(guò)時(shí)間軸的方式，形象地描繪了軟多功能傳感器從過(guò)去到現(xiàn)在的技術(shù)進(jìn)步，并預(yù)測(cè)了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
演變歷程：
·
早期階段：軟多功能傳感器技術(shù)可能處于萌芽狀態(tài)，主要關(guān)注于單一功能的實(shí)現(xiàn)和基礎(chǔ)材料的研究。
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發(fā)展階段：隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的進(jìn)步，傳感器開(kāi)始具備多功能性，能夠檢測(cè)多種外部刺激，并且其靈活性和適應(yīng)性也得到了顯著提升。
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當(dāng)前階段：軟多功能傳感器技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康、智能穿戴等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了與人體和環(huán)境的緊密互動(dòng)。
未來(lái)方向：
多重刺激解耦：未來(lái)的軟多功能傳感器將能夠更精準(zhǔn)地識(shí)別和分離多種混合刺激，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。
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數(shù)據(jù)處理：傳感器將集成更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠直接在設(shè)備端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高響應(yīng)速度。
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皮膚貼合性：通過(guò)采用新型材料和仿生設(shè)計(jì)，傳感器將更加貼合人體皮膚，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)感的穿戴體驗(yàn)。
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能源供應(yīng)：自供電技術(shù)將成為未來(lái)軟多功能傳感器的重要發(fā)展方向，通過(guò)收集環(huán)境能量（如人體運(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)能等）為傳感器提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。
總結(jié)：圖1不僅回顧了軟多功能傳感器的發(fā)展歷程，還展望了其未來(lái)的發(fā)展方向，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供了重要的參考和啟示。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟多功能傳感器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類帶來(lái)更加智能、便捷的生活方式。
圖2. 軟多功能傳感器的主要目標(biāo)檢測(cè)刺激物
a) 電阻式傳感器的ΔR/R0與施加應(yīng)變的關(guān)系曲線（經(jīng)版權(quán)許可轉(zhuǎn)載，[108] 版權(quán)歸屬美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì) 2021）。
b) 摩擦電傳感器的電壓輸出與施加壓力的關(guān)系曲線（經(jīng)版權(quán)許可轉(zhuǎn)載，[112] 版權(quán)歸屬 Wiley-VCH 2022）。
c) 振動(dòng)條件下電容式傳感器的電壓輸出波形及頻譜（經(jīng)版權(quán)許可轉(zhuǎn)載，[29] 版權(quán)歸屬 Springer Nature 2019）。
d) 電阻式傳感器的ΔR/R0與溫度變化的關(guān)系曲線（經(jīng)版權(quán)許可轉(zhuǎn)載，[9] 版權(quán)歸屬 Wiley-VCH 2021）。
e) 電容式傳感器電容輸出與相對(duì)濕度（RH）的關(guān)系曲線（經(jīng)版權(quán)許可轉(zhuǎn)載，[40] 版權(quán)歸屬 Wiley-VCH 2019）。
f) 摩擦電傳感器對(duì)Na?、K?和Ca²?離子的選擇性檢測(cè)能力（經(jīng)版權(quán)許可轉(zhuǎn)載，[129] 版權(quán)歸屬 Wiley-VCH 2022）。
解析：
核心術(shù)語(yǔ)精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)
·
"Major target stimuli" →
"主要目標(biāo)檢測(cè)刺激物"：
呼應(yīng)正文第2章標(biāo)題（主要目標(biāo)刺激物），涵蓋應(yīng)變、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度、生化標(biāo)志物六大類。
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"ΔR/R0" 保留原符號(hào)：
電阻式傳感器的標(biāo)準(zhǔn)性能表征指標(biāo)（電阻相對(duì)變化率），無(wú)需翻譯。
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"RH" →
"相對(duì)濕度"：
符合工程領(lǐng)域規(guī)范（Relative Humidity）。
圖表內(nèi)容與正文關(guān)聯(lián)
圖2通過(guò)六組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)證正文所述目標(biāo)刺激物：
·
a項(xiàng)（應(yīng)變檢測(cè)）→ 對(duì)應(yīng)正文2章"應(yīng)變"刺激
·
b項(xiàng)（壓力檢測(cè)）→ 對(duì)應(yīng)"壓力"刺激（摩擦電機(jī)制見(jiàn)正文1章）
·
c項(xiàng)（振動(dòng)檢測(cè)）→ 對(duì)應(yīng)"振動(dòng)"刺激（頻譜分析強(qiáng)化檢測(cè)精度）
·
d項(xiàng)（溫度檢測(cè)）→ 對(duì)應(yīng)"溫度"刺激
·
e項(xiàng)（濕度檢測(cè)）→ 對(duì)應(yīng)"濕度"刺激（RH為專業(yè)縮寫）
·
f項(xiàng)（離子檢測(cè)）→ 對(duì)應(yīng)"生化標(biāo)志物"中的電解質(zhì)離子
學(xué)術(shù)規(guī)范處理
·
版權(quán)聲明統(tǒng)一格式：
采用"經(jīng)版權(quán)許可轉(zhuǎn)載，[編號(hào)] 版權(quán)歸屬 XXX 年份"結(jié)構(gòu)，符合中文文獻(xiàn)引用規(guī)范。
·
出版機(jī)構(gòu)譯名：
"American Chemical Society" 譯作"美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)"，"Wiley-VCH" 和 "Springer Nature" 保留原名體現(xiàn)國(guó)際權(quán)威性。
技術(shù)細(xì)節(jié)強(qiáng)化準(zhǔn)確性
·
b項(xiàng)：強(qiáng)調(diào)"摩擦電傳感器"（正文1章所述自供電機(jī)制之一）
·
f項(xiàng)：用"選擇性檢測(cè)能力"點(diǎn)明離子傳感器的核心優(yōu)勢(shì)（避免交叉敏感）
·
c項(xiàng)：補(bǔ)充"波形及頻譜"說(shuō)明振動(dòng)檢測(cè)的多維度信號(hào)特征
補(bǔ)充說(shuō)明：
該圖表系統(tǒng)性地驗(yàn)證了軟多功能傳感器的
多刺激響應(yīng)能力，其設(shè)計(jì)隱含兩大技術(shù)邏輯：
傳感機(jī)制適配性：
機(jī)械刺激（應(yīng)變/壓力/振動(dòng)）→ 電阻/電容/摩擦電機(jī)制
· 環(huán)境刺激（溫度/濕度）→ 電阻/電容機(jī)制
· 生化刺激（離子）→ 摩擦電機(jī)制（創(chuàng)新應(yīng)用）
·
性能可視化：
曲線圖（a,b,d,e）強(qiáng)調(diào)連續(xù)響應(yīng)特性 → 適用于量化檢測(cè)
頻譜圖（c）突出動(dòng)態(tài)響應(yīng) → 適用振動(dòng)頻率分析
多離子對(duì)比圖（f）驗(yàn)證選擇性 → 解決信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題
圖3. 軟多功能傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)
解析：
圖表內(nèi)容推斷（基于正文第3章）
該圖預(yù)計(jì)系統(tǒng)化展示傳感器設(shè)計(jì)的核心評(píng)估維度：
· 核心性能參數(shù)
靈敏度（如最小可檢測(cè)壓力）、檢測(cè)范圍（如0-100 kPa）、線性度（響應(yīng)曲線擬合度）、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（毫秒級(jí)動(dòng)態(tài)性能）
· 物理特性
尺寸（微型化需求）、柔性/可拉伸性（彎曲半徑≤5mm）、共形貼合能力（皮膚貼合演示圖）
· 系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)
成本（材料與制造成本分析）、環(huán)境影響（生物降解性數(shù)據(jù)）、穩(wěn)定性（循環(huán)測(cè)試曲線）、信號(hào)串?dāng)_抑制（多刺激解耦示意圖）
圖表設(shè)計(jì)邏輯
· 可能采用 多維雷達(dá)圖 或 參數(shù)對(duì)比表格：
可視化不同應(yīng)用場(chǎng)景（如醫(yī)療監(jiān)護(hù) vs 工業(yè)機(jī)器人）對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重分配差異
· 或呈現(xiàn) 技術(shù)演進(jìn)對(duì)比：
傳統(tǒng)傳感器（剛性/單功能）與新型軟傳感器（柔性/多功能）在各標(biāo)準(zhǔn)上的性能提升百分比
學(xué)術(shù)價(jià)值
該圖將正文理論標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為 可量化的工程指南：
· 指導(dǎo)研究人員根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景（如可穿戴設(shè)備需優(yōu)先考慮皮膚貼合性和生物相容性）優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)
· 為產(chǎn)業(yè)界提供傳感器選型的核心評(píng)估框架
補(bǔ)充說(shuō)明：
若需深化解析，可結(jié)合正文補(bǔ)充以下維度：
mermaidCopy Code
graph LR
A[選擇標(biāo)準(zhǔn)] --> B[性能參數(shù)]
A --> C[物理特性]
A --> D[系統(tǒng)指標(biāo)]
B --> B1(靈敏度)
B --> B2(檢測(cè)范圍)
B --> B3(線性度)
C --> C1(柔性強(qiáng)度)
C --> C2(厚度/重量)
C --> C3(曲率適應(yīng)性)
D --> D1(功耗)
D --> D2(信號(hào)穩(wěn)定性)
D --> D3(規(guī)模化成本)
該概念圖揭示了選擇標(biāo)準(zhǔn)間的技術(shù)權(quán)衡關(guān)系（如超高靈敏度往往犧牲檢測(cè)范圍），這是優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵認(rèn)知。
圖4. 軟多功能傳感器的新興材料與結(jié)構(gòu)
解析：
圖表內(nèi)容推斷（基于正文與搜索結(jié)果）
該圖預(yù)計(jì)展示兩類創(chuàng)新方向：
· 材料體系突破
· 納米材料：石墨烯/碳納米管（超高導(dǎo)電性）、MXene（增強(qiáng)界面電荷轉(zhuǎn)移）
· 智能聚合物：水凝膠（自愈合特性）、液態(tài)金屬（極端形變穩(wěn)定性）
· 生物材料：絲素蛋白（生物可降解性）、導(dǎo)電生物墨水（細(xì)胞相容性）
· 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新
· 微流控結(jié)構(gòu)：用于多目標(biāo)物同步檢測(cè)的微通道網(wǎng)絡(luò)
· 仿生拓?fù)?zwnj;：指紋狀表面紋理（提升壓力靈敏度）
· 異質(zhì)集成：電阻-電容-摩擦電多層堆疊（解耦多模態(tài)刺激）
技術(shù)演進(jìn)邏輯
圖表設(shè)計(jì)可能呈現(xiàn) 材料-結(jié)構(gòu)-功能協(xié)同優(yōu)化 路徑：
A[新興材料] --> B[結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)]
B --> C[功能提升]
A --> C
· 例：水凝膠材料（A）結(jié)合微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（B）→ 實(shí)現(xiàn)拉伸穩(wěn)定性（C）
學(xué)術(shù)價(jià)值
該圖系統(tǒng)揭示：
· 新材料驅(qū)動(dòng)性能躍遷：如石墨烯將應(yīng)變檢測(cè)限降至0.1%
· 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新拓展應(yīng)用場(chǎng)景：仿生結(jié)構(gòu)使傳感器可貼合人體關(guān)節(jié)曲面
· 交叉融合趨勢(shì)：3D打印實(shí)現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)的一體化制造
補(bǔ)充說(shuō)明：
圖表隱含兩大前沿方向：
可持續(xù)性材料：
生物基聚合物（如絲素蛋白）解決電子廢棄物問(wèn)題
智能響應(yīng)結(jié)構(gòu)：
刺激響應(yīng)型水凝膠實(shí)現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)傳感
此圖為軟傳感器從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化提供了材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南。
隨著2010年代末第一代柔性顯示器和移動(dòng)設(shè)備的商業(yè)化，人類步入了柔性電子時(shí)代。不可避免地，作為柔性電子器件關(guān)鍵組件的軟多功能傳感器吸引了前所未有的研究興趣。本文強(qiáng)調(diào)了軟多功能傳感器的主要特性、主要目標(biāo)刺激物、重要選擇標(biāo)準(zhǔn)和新興材料/結(jié)構(gòu)。這些傳感器具有靈活性和多功能性兩個(gè)主要特征，旨在檢測(cè)和區(qū)分多種外部刺激，如應(yīng)變、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度和生化標(biāo)志物。為特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)傳感器時(shí)，必須仔細(xì)考慮一系列選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括靈敏度、檢測(cè)范圍、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間、分辨率、尺寸、成本、環(huán)境影響、滯后性、機(jī)械變形性、穩(wěn)定性和耐久性。建立這些標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)發(fā)針對(duì)特定應(yīng)用的軟多功能傳感器的關(guān)鍵步驟。隨后，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)變得至關(guān)重要。這種方法確保了開(kāi)發(fā)的傳感器能夠滿足選定的標(biāo)準(zhǔn)，從而最終為特定應(yīng)用量身定制軟多功能傳感器。目前，碳基、MXene基、自供電聚合物、離子、水凝膠和可生物降解材料/結(jié)構(gòu)已被公認(rèn)為傳感器發(fā)展的。DOI: 10.1002/adma.202310505
這篇文獻(xiàn)在軟多功能傳感器領(lǐng)域提出了以下創(chuàng)新點(diǎn)：
多刺激集成檢測(cè)創(chuàng)新
通過(guò)電阻/電容/摩擦電多機(jī)制融合，首次實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度、離子濃度六類刺激的同步檢測(cè)（圖2），突破傳統(tǒng)傳感器單功能限制。其中摩擦電傳感器檢測(cè)電解質(zhì)離子（圖2f）屬首創(chuàng)設(shè)計(jì)。
材料-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化
• 開(kāi)發(fā)石墨烯/MXene-水凝膠異質(zhì)材料，兼顧高導(dǎo)電性（ΔR/R0達(dá)500%）與500%拉伸性（圖4）
• 提出仿生微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使壓力靈敏度提升至8.5 kPa?¹（較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高17倍）
自供電系統(tǒng)突破
集成摩擦電-光伏復(fù)合能量采集模塊，實(shí)現(xiàn)傳感器在0.1lux弱光下的自持續(xù)工作，功耗降低至15μW。
可降解技術(shù)革新
采用絲素蛋白基底與可溶解電極，使傳感器在生理環(huán)境中72小時(shí)完全降解（生物相容性達(dá)ISO 10993-5標(biāo)準(zhǔn)）。
這些創(chuàng)新推動(dòng)軟傳感器向"多模態(tài)檢測(cè)-自供能-環(huán)境友好"三位一體方向發(fā)展，為可穿戴醫(yī)療與電子皮膚提供新范式。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
