北卡羅萊納州立大學Adv. Mater.綜述：基于納米材料的柔性可拉伸集成傳感系統
【引言】
近年來，基于納米材料的柔性和可拉伸電子設備取得了巨大進步，并逐漸從單傳感器件發展到集成傳感系統。與具有單一功能的納米材料傳感器相比，多個傳感器的集成有助于全面監控個人健康和環境，實現智能人機界面以及機器人和假肢中人體皮膚的仿真設計。傳感器與其他功能組件的集成有效促進了傳感系統的實際應用。
【成果簡介】
近日，北卡羅萊納州立大學的朱勇教授（通訊作者）在Advanced?Materials上發表了題為“Nanomaterial-Enabled Flexible and Stretchable Sensing?Systems: Processing, Integration, and Applications”的綜述。這篇綜述覆蓋了各種基于納米材料的集成傳感系統的設計思路以及制備方法，同時介紹了目前集成傳感器系統在個人健康，健身追蹤，電子皮膚，人工神經系統以及人機交互方面的代表性應用。該綜述主要分為以下幾個部分：第一部分為集成傳感器系統柔性和可拉伸性的設計策略；第二部分為柔性以及可拉伸傳感系統的制備方法；第三部分介紹了多個傳感器集成和傳感器與其他功能組件（例如，致動和用戶交互組件，能量設備，以及數據處理，存儲和通信模塊）集成的代表性系統。第四部分主要介紹了柔性和可伸縮傳感系統在個人醫療保健，健身追蹤，電子皮膚和人機交互中的應用。
【圖文導讀】
圖1柔性可拉伸納米集成傳感系統的設計策略
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圖2 柔性和可拉伸組件設計?
?(a)?沉積在PDMS基底上的CNT網絡的SEM圖；
(b)?嵌入PDMS表面下方的AgNW網絡的SEM圖，插圖為橫截面視圖；
(c)?分散在SBS中的Ag-Au NW網絡的示意圖；
(d) 電子皮膚在手上的應變分布圖；
(e) 基于Kirigami設計的多功能集成柔性傳感系統；?
圖3組件系統集成思路
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(a)?通過打印電極連接的溫度以及力學傳感器；
(b)?由非共平面蛇形設計連接的晶體管島；?
(c)?由波浪/褶皺設計相互連接的傳感器和電路模塊示意圖；
(d) 30％雙軸應變下PEN基底以及可拉伸互聯部分的應變分布圖；?
(e) 通過逐層層壓垂直整合的溫度和應變傳感集成系統；
(f) 在磁場作用下形成導電核殼通孔的結構示意圖（左），有無核殼結構的通孔在10%和50%拉伸下的應變分布；
圖4?集成傳感器系統的自下而上制備方法
(a)?基于噴涂的可穿戴系統制造工藝，包括應變傳感器，ECG傳感器和LEC陣列；
(b) 基于CNT的電化學傳感器的絲網印刷工藝；
(c) 電化學傳感器的R2R打印；
圖5集成傳感器系統的自上而下和自上而下/自上而下復合的制備方法
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(a)?使用光刻和轉移印刷制備基于石墨烯的電化學傳感器陣列的關鍵制造工藝；
(b) 通過光刻，噴涂和逐層層壓工藝制備可拉伸多功能石墨烯傳感器矩陣；
(c)?通過絲網印刷和激光切割制備應變和溫度傳感器系統；
圖6直接集成的柔性可拉伸傳感系統
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(a) 集成可穿戴貼片的制造過程示意圖，其中ECG電極和熱敏電阻印刷在承載IC的PI基板上；
(b)?在手上直接組裝集成的傳感系統，可用于關節屈曲監測；
圖7集成傳感器陣列
(a)?可拉伸的傳感器矩陣；
(b)?垂直集成電子皮膚示意圖，其壓力變化是可視化的；
(c)?基于薄膜晶體管的20×20有源矩陣背板；
(d)?使用液態金屬和AgNW貼紙互連的可拉伸有源矩陣溫度傳感器；
?圖8多傳感器集成
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?(a)?應變傳感器和基于晶體管溫度傳感器的集成；
(b)?包括四個應變傳感器和溫度傳感器的電子皮膚；
(c)?可自愈合和再循環的電子皮膚；
(d)?具有溫度和應變傳感器的表皮貼片（上圖）以及附在手腕上的照片（下圖）；
(e)?含有電生理傳感器（GEPS），溫度傳感器（GRTD）和皮膚濕度傳感器（GSHS）的石墨烯電子紋身傳感系統；
(f)?柔性pH和溫度傳感器貼片；
(g)?CNT纖維上沉積活性材料制備的傳感纖維陣列；
(h)?揮發有機化合物和壓力傳感器組成的集成系統；
圖9具有用戶交互和致動組件的集成傳感系統
(a)?帶顯示的壓力傳感器陣列示意圖，其中LED陣列與壓力傳感器通過打印電路和自組裝的通孔互連；
(b)?可觸摸交互的智能集成系統，包含觸摸和溫度傳感器，無線線圈和藥物輸送泵；
(c)?基于核殼Au-Ag納米線的可穿戴設備，包含生理傳感電極，電觸覺刺激電極和加熱元件；
(d)?基于石墨烯的可穿戴無線智能腕帶，包含LED，應變傳感器，熱致動器和離子電滲療法電極；
(e)?閉環機器人致動和控制系統，包括人手臂上的應變傳感器和電觸覺刺激組件以及機械臂上的壓力傳感器；
圖10帶有自供能源的集成傳感系統
(a)?用于觸覺成像的自供電觸覺傳感器陣列；
(b)?電化學傳感器和生物燃料電池陣列，包括電位銨傳感器，電流型葡萄糖傳感器和酶促葡萄糖生物燃料電池；
(c)?用于汗液分析的自供電可穿戴平臺示意圖；
(d)?自供電心臟傳感器示意圖和手指上附著OPV和OECT的照片；
(e)?與摩擦納米發電機和超級電容器集成的自供電應變傳感器；
(f)?壓電發電機（PEG），壓力/氣體傳感器，整流器，線過濾裝置（MG-MSC）和微超級電容器陣列（MG-PANI MSC）集成；
圖11帶有數據處理，存儲和通信模塊的集成傳感系統
(a)?基于晶體管的放大器和應變傳感器（左）和放大的脈搏信號（右）；
(b)?電阻隨機存取存儲器（RRAM），加熱器，應變/溫度傳感器以及藥物輸送部件的集成。該可穿戴設備專為運動障礙診斷和反饋治療設計；
(c)?基于無線UHF-RFID的氣體傳感器；
(d)?集成無線葡萄糖傳感器和眼壓傳感器的可佩戴隱形眼鏡；
(e)?集成rGO氣體傳感器和PCB板的手表式氣體監測儀；
圖12集成多組件的代表性傳感系統
(a)?可穿戴胸部貼片的照片，包括應變/皮膚濕度/ ECG傳感器，電池和PCB；
(b)?可佩戴在手腕上的無線多功能汗液傳感器陣列（左），汗液傳感器陣列示意圖（右）；
(c)?用于原位監測藥物水平的汗液傳感系統照片；
(d)?基于CNT電極的多層可穿戴系統；
(e)?具有多個傳感器（即葡萄糖，濕度，溫度，pH和震顫響應）和用于藥物遞送的熱敏微針的糖尿病貼片；
圖13柔性可拉伸集成傳感系統在個人醫療保健和健身追蹤中的應用
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(a)?利用石墨烯電子紋身傳感器測量ECG，EMG和EEG信號；
(b)?納米線加熱元件在手腕彎曲狀態下的性能，其中溫度由紅外攝像機檢測；
(c)?使用自供電應變傳感器無創檢測食管以及氣管相關的肌肉運動；
(d)?通過附著在橈動脈上的表皮溫度傳感器和紅外攝像機測量各種活動期間的體溫變化；
圖14柔性可拉伸集成傳感系統在個人醫療保健和健身追蹤中的應用
(a) 使用貼在頸部的可穿戴設備（左）和商用傳感器獲得的實時pH和皮膚溫度（右）；
(b)?佩戴頭帶和腕帶的受試者的照片（左），利用鈉和葡萄糖傳感器的非原位汗液感測結果與來自可穿戴設備的原位體內汗液分析的比較；
(c)?利用糖尿病貼片（汗液），商業葡萄糖測定（汗液）和商業血糖儀（血液）監測葡萄糖結果的比較；
(d)?糖尿病檢測與治療貼片用于控制患有糖尿病的鼠的血糖；
圖15柔性可拉伸集成傳感系統在電子皮膚中的應用
(a) 附著在人手掌上的傳感器矩陣照片（左），以及瓢蟲壓力的應變分布（右）；
(b)?應變傳感器，ECG電極和LEC陣列集成的電子皮膚照片；
(c)?左側示意圖為在棘層中具有突起和機械感受器（SA-1，SA-II，FA-1，FA-II）的皮膚結構。右圖為基于電容壓力傳感機制和CNT/PU電極的仿生電子皮膚；
(d) 附著在機器手上的壓力傳感電子皮膚照片（左）。插圖為矩陣的放大圖像。電子皮安裝在機械手表面以提供觸覺反饋（右）；
(e)?具有壓力，應變和溫度響應傳感器系統的機器手；
(f)?機械手接觸冷杯和熱杯時溫度傳感器的響應；
圖16柔性可拉伸集成傳感系統在神經系統中的應用?
(a) 可拉伸多電極陣列（MEA）在假手和周圍神經之間的互連示意圖；
(b)?Sprague-Dawley大鼠體內測試的示意圖和采集的信號；
(c)?附著在人體模型上的有機光電突觸的示意圖；
(d)?不同尖峰數量觸發的EPSC；
(e)?聚合物致動器在有無應變狀態下對于不同尖峰數量的響應位移；
圖17柔性可拉伸集成傳感系統在人機交互中的應用
(a)?可用于控制虛擬環境中手指的無線數據手套；
(b)?基于Ag納米纖維的摩擦觸覺傳感器陣列，可用于控制簡單的計算機游戲；
(c)?可安裝在皮膚上的四通道壓力傳感器（通道1-4）和雙通道應變傳感器（通道5和6）用于機器人控制：施加在壓力傳感器陣列上的壓力控制向前或向后移動，逆時針或順時針旋轉，由應變傳感器檢測到的手指彎曲控制加速或減速；
(d) 由（c）中所示的應變和壓力傳感器控制機器人的運動；
(e)?閉環控制系統用于控制機器人手臂以抓取物體；
【小結】
??作者在本綜述中全面介紹了各種類型的基于納米材料的柔性可拉伸集成傳感系統，并且著重從設計思路，制備方法以及目前集成傳感器系統在個人健康，健身追蹤，電子皮膚，人工神經系統以及人機交互方面的代表性應用，并基于此對納米柔性可拉伸集成傳感系統的未來前景進行討論。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201902343?(Adv. Mater. 2019, 1902343, DOI: 10.1002/adma.201902343),
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