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  隨著柔性電子學(xué)、材料科學(xué)及微納加工技術(shù)發(fā)展，柔性/可穿戴電子技術(shù)近年來成為電子器件研究的重要領(lǐng)域。其中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外界信號(hào)精確感知的高性能柔性可延展傳感器是其中的基礎(chǔ)性核心元器件之一。由于具有良好曲面共形特征及輕、柔、韌等特性，柔性傳感器在人機(jī)交互、智能機(jī)器人、人工智能、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)測(cè)及運(yùn)動(dòng)健康等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，科研人員們?cè)谌嵝噪娮悠骷芯恐凶龀隽撕芏鄤?chuàng)新性的工作，且該領(lǐng)域吸引了越來越多研究者的關(guān)注。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員課題組與合作團(tuán)隊(duì)在納米智能材料、仿生微納結(jié)構(gòu)、柔性可延展傳感器件及其智能系統(tǒng)方面取得了系列研究進(jìn)展，并實(shí)現(xiàn)了柔性微納傳感器的工程化、印刷批量制造與部分專利技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，受到國際國內(nèi)同行的關(guān)注（代表性的論文如下：Adv. Mater., 2014, 26, 1336、Adv. Mater., 2015, 27, 1370、Sci. Adv., 2016, 2(7), e1600209、Nano Lett., 2017, 17(1), 355、Adv. Sci., 2017, 4, 1600404、Small, 2017, 1602790、Nano Res., 2017, 10(8): 2683、Adv. Mater., 2017, 29, 1702517、Anal. Chem., 2017, 89, 10224、Adv. Sci., 2018，5, 1800558、Energy Storage Mater., 2018, 15, 315、Small, 2018, 14(36), 1703902）。 

  面向特定應(yīng)用場景的需求，柔性傳感器須滿足高靈敏度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間和長工作壽命等要求。迄今，人們發(fā)展了多種手段來提高柔性傳感器的綜合性能，包括敏感材料合成及器件設(shè)計(jì)制備等，但這些手段通常都是基于現(xiàn)有復(fù)雜的加工手段及材料合成方法，存在一定的局限性。“仿生”是科學(xué)技術(shù)研究中重要的理念與方法之一，在自然界中，經(jīng)過千百萬年演變與進(jìn)化，各種生物體都能通過其獨(dú)特的型狀與功能實(shí)現(xiàn)對(duì)生存環(huán)境的適應(yīng)。例如，蜘蛛可通過腿部皮膚裂紋微結(jié)構(gòu)高靈敏地感知地面微振動(dòng)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，變色龍/章魚等能通過感知外界光線變化而改變皮膚色彩來進(jìn)行偽裝保護(hù)等。因此，通過向自然學(xué)習(xí)，對(duì)生物界存在的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行“模仿”和創(chuàng)新，發(fā)展以類似趨生物性的方式對(duì)外界多重物理、化學(xué)信息實(shí)時(shí)精確感知的仿生傳感器件，為新型電子器件統(tǒng)的設(shè)計(jì)與傳感技術(shù)的發(fā)展提供豐富的思路和方法，表現(xiàn)出人工智能特性，并拓寬探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍。 

  近日，中國科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員課題組受Accounts of Chemical Research期刊的邀請(qǐng)，發(fā)表了題為“Materials, Structures, and Functions for Flexible and Stretchable Biomimetic Sensors”的綜述文章，闡述了本課題組和相關(guān)團(tuán)隊(duì)最近幾年在柔性仿生傳感器領(lǐng)域的研究工作，體現(xiàn)了仿生柔性傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“（機(jī)器）人-信息-物理系統(tǒng)”高效融合的重要途徑（圖1），并展望了該研究領(lǐng)域存在的問題和發(fā)展方向。(Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288-296，Inside Cover,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00497) 

圖1、仿生柔性傳感器綜述發(fā)表于Accounts of Chemical Research (2019, 52, 288-296, Inside Cover) 

  皮膚組織是生物體最大的感知器官，具有力學(xué)、溫濕度、觸覺等多種綜合感知能力，作者從最具代表性的柔性仿生傳感器-仿生“電子皮膚（Electronic skin）”出發(fā)，首先分析指出通過構(gòu)建具有特殊功能或復(fù)合性能的新型敏感材料，能賦予傳感器多功能的感知能力。例如，通過吸附水（Bound water）的吸脫附，敏感高分子膜能實(shí)現(xiàn)光、濕度雙重響應(yīng)同時(shí)通過材料形變來將信號(hào)響應(yīng)“可視化”。另外，通過多功能材料設(shè)計(jì)制備能賦予器件特殊性能，例如，利用蠶絲（Silk）等天然物質(zhì)或可降解材料構(gòu)筑生物相容或可溶解傳感器、利用聚合物氫鍵作用機(jī)理的具有類“皮膚”自修復(fù)功能的柔性傳感器、基于超疏水能力智能涂層的多功能可拉伸傳感器等。同時(shí)，分析指出通過設(shè)計(jì)和構(gòu)筑多種仿生微納敏感結(jié)構(gòu)來提升柔性傳感器性能。例如，通過對(duì)自然界中動(dòng)物（蜘蛛等）、植物（荷葉、花瓣等）中仿生微納結(jié)構(gòu)的復(fù)形，構(gòu)筑了能實(shí)現(xiàn)寬的感知范圍或選擇性方向響應(yīng)特性的柔性傳感器（圖2a-b）；基于仿織物條紋微納結(jié)構(gòu)組裝的柔性器件（圖2d），能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小壓力（0.6 Pa）的快速響應(yīng)（10 ms）；通過對(duì)自然界中自不穩(wěn)定態(tài)（Instabilities，如波浪、云層、沙丘等）的模仿，可實(shí)現(xiàn)柔性傳感器高延展性；采用預(yù)應(yīng)力拉伸方法所組裝的具有“wave”結(jié)構(gòu)的一維纖維狀/二維平面狀柔性器件具備超延展（最大＞1000 %拉伸形變）的特性（圖2c）。通過柔性器件與異形曲面如人體器官等表界面的緊密貼合，進(jìn)一步拓寬了柔性傳感器件在人體、輕量化裝備等方面的應(yīng)用。 

圖2、基于（a）納米碳材料裂紋結(jié)構(gòu)、（b）荷葉表面微納結(jié)構(gòu)、（c）“wave”延展結(jié)構(gòu)、（d）織物微納結(jié)構(gòu)組裝的仿生柔性傳感器。 

  生物體尤其是人體的五官（觸覺、聽覺、嗅覺、視覺及味覺），是實(shí)現(xiàn)其對(duì)外界信息感知與交互的重要基礎(chǔ)性功能。張珽研究團(tuán)隊(duì)從生物體感官功能角度出發(fā)，構(gòu)建了多種新型柔性仿生器件的設(shè)計(jì)構(gòu)建，如柔性仿生電子皮膚傳感器（E-skin）、柔性仿生指紋結(jié)構(gòu)傳感器（Electronic Fingerprint）、和柔性仿生電子耳膜（Electronic Eardrum）等（圖3），實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈搏、心跳及血管微壓的高靈敏檢測(cè)（圖3a），對(duì)表面剪切力、織物條紋及盲文字母的精確檢測(cè)（圖3b），以及對(duì)寬頻振動(dòng)信號(hào)（20-13000 Hz）的高信噪比（～55 dB）、高穩(wěn)定響應(yīng)（150000 cycles）（圖3c）。結(jié)合課題組研制的微納氣體傳感器（嗅覺）及可穿戴汗液傳感器（味覺）等，類皮膚多參數(shù)感知特性的多功能柔性傳感器系統(tǒng)將逐漸成為現(xiàn)實(shí)，未來將賦予仿生機(jī)器人等系統(tǒng)更加“智能”的類生物器官感知功能。

圖3、（a）柔性仿生電子皮膚傳感器（“E-skin”）；（b）柔性仿生指紋傳感器（“Electronic fingerprint”）;（c）柔性振動(dòng)傳感器-“電子耳膜（Electronic eardrum）” 

  張珽研究員從材料設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成及應(yīng)用場景角度展望了該領(lǐng)域未來發(fā)展方向，如通過將形狀記憶合金材料、金屬有機(jī)框架材料及非傳統(tǒng)的分子機(jī)器、細(xì)胞有機(jī)體等引入器件設(shè)計(jì)之中，開發(fā)具有新的仿生物體功能的柔性傳感器件；及通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)筑輕量化仿生魚、仿生鳥等智能柔性傳感-驅(qū)動(dòng)一體化系統(tǒng)等。希望以上的研究工作和展望對(duì)推動(dòng)下一代智能納米材料、新型仿生柔性傳感器及其智能系統(tǒng)的研究提供一些思路。 

  上述工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金，江蘇省杰出青年基金和中國博后基金等支持。文章的第一作者為李鐵博士，碩士研究生李玥參與該工作。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.accounts.8b00497