柔性可穿戴功能傳感器的案例
：高性能橡膠基柔性可穿戴多功能傳感器
近年來，柔性可穿戴功能傳感器的迅速發展改變了傳統的醫療診斷模式，賦予其可穿戴、舒適、遠程操作、及時反饋等綜合特性，推動了可穿戴人體活動監測和個人健康管理的出現。在眾多可穿戴傳感器的應用中，應變傳感和溫度傳感是重要的研究方向。應變響應的高靈敏度是準確檢測人體引起的細微運動（例如脈搏和心跳）到關節、肌肉大尺度動作的關鍵。同時，實時且連續的皮膚溫度監測對于預測人體和熱環境的認知狀態以及疾病的早期診斷至關重要。一般來說，為了滿足全人體運動檢測和實時溫度變化監測的基本要求，傳感器不僅要具備寬廣的響應范圍和全工作范圍內的高靈敏度，還必須具備較高的電阻溫度系數和溫度分辨力。然而，目前大多數可穿戴傳感材料的實際應用普遍受限于柔性拉伸、靈敏度與力學強度不理想，導電率較低、熱敏性差以及感官功能單一等問題。
近期，廣西大學徐傳輝教授課題組設計了一種以橡膠為基材，具有高靈敏度、低檢測限、高溫度系數和高力學強度的多功能柔性傳感器材料。該橡膠復合材料由羧基丁苯橡膠（XSBR）與天然高分子絲膠（SS）非共價鍵修飾的碳納米管（CNTs）通過加工手段調控膠乳復合成膜制備（如圖1）。
圖1 XSBR/SSCNT傳感器的制備與形貌表征
其中SS來源蠶絲屬可再生資源，能夠提高碳納米管在橡膠基體中的分散性，而不會對CNTs造成任何化學破壞。由此制備的XSBR/SSCNT傳感器能夠檢測細微和大的變形，具有217%伸長率、12.58 MPa拉伸強度、25.98 高靈敏度（即應變系數）、1% 應變低檢測限，0.071 S/m高電導率和 0.504 wt%滲透閾值（如圖2）。
展開 沈國震課題組：用于可穿戴觸摸鍵盤的新型柔性觸覺傳感器
柔性觸覺傳感器作為可穿戴電子設備的核心部件，在消費電子、軍事、醫療健康等領域呈現出巨大的市場前景。
最近，中國科學院半導體研究所沈國震課題組成功研制出一種基于具有特殊微結構的銀納米線/PDMS復合電介質層材料的柔性透明電容式壓力傳感器，實現了類似人體皮膚功能，可快速感知微小壓力變化。與采用純PDMS平面結構的電介質層器件相比，所制備的傳感器具有更高的靈敏度(0.831 kPa?1，<0.5 kPa)，更低的檢測范圍，更好的穩定性和耐久性。本文對導電填料含量和微結構的增強傳感機 理也進行了討論。
此外，作者還研制了一個5×5的傳感器陣列并成功地用于柔性可穿戴式觸摸鍵盤系統，實現了壓力觸覺傳感器在電子皮膚與人機交互中的應用。
參考文獻：
Flexible and transparent capacitive pressure sensor with patterned microstructured composite rubber dielectric for wearable touch keyboard application
Science China Materials，2018，doi：10.1007/s40843-018-9267-3
展開 清華蹇木強Science China Materials綜述：碳材料基柔性可穿戴傳感器
【引言】
柔性傳感器被定義為將物理或環境刺激轉換成可探測信號的柔性設備。近年來，柔性傳感器由于其在可穿戴電子和智能系統中的巨大潛在應用而受到越來越多的關注。柔性傳感器可以安裝在人體或衣服上，用于連續監測微小和大型人體運動和生理信息，例如發聲、脈沖、心電圖、呼吸、皮膚溫度等等。這些應用要求可穿戴傳感器具有靈敏度高、柔韌性好、拉伸性能好、生物相容性好、穩定性好等基本特性。
選擇合適的活性材料在控制傳感器的性能方面起著重要的作用。到目前為止，各種材料，包括碳納米管（CNTs），石墨烯，碳黑，導電聚合物，金屬，納米粒子(NPs)和納米線、半導體已被用作柔性傳感器的活性成分。在這些材料中，金屬NP可以用來制造具有高靈敏度的柔性傳感器，但是這些傳感器的傳感范圍和伸縮性是有限的。此外，由于金屬納米線的化學穩定性和重現性有限，利用金屬納米線制備穩定的傳感器具有挑戰性。同樣，穩定性和導電性差的導電聚合物也難以用于制造高性能傳感器。相比之下，碳材料是最常被研究的材料之一，特別是具有顯著的力學、電學和熱性能的碳納米管和石墨烯（包括氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（rGO））。
為了實現宏觀應用，在微觀層面上具有優異性能的碳納米管和石墨烯應轉化為宏觀功能組件，如一維（1D）纖維或紗線、二維（2D）薄膜或片材、三維（3D）構架。多尺度的宏觀碳納米材料賦予柔性傳感器高靈敏度、優異的靈活性和良好的穩定性以及期望的結構。此外，低成本的碳材料，包括炭黑和納米碳纖維，可以用作與彈性材料或織物集成的導電填料，這是制造柔性傳感器的一種簡單、低成本和大規模的方法。除了碳納米材料之外，其他碳材料也通過生物材料衍生出來。
展開 菲力爾推全球首款可穿戴傳感器 可保障車內安全
據外媒報道，在西班牙巴塞羅那舉行的智能城市博覽會世界大會上，美國菲力爾公司（FLIR Systems Inc.）宣布推出業界首款可穿戴傳感器平臺 - TruWITNESS，專為城市安全運營和公共安全運營而設計。該公司是世界領先的傳感器系統和熱成像設備制造商之一。
菲力爾的TruWITNESS傳感器平臺將視頻、音頻、定位數據、物聯網（IoT）功能以及云管理軟件整合至一個解決方案中，使各種組織機構能夠達到新的態勢感知水平。盡管該平臺專為需要實時移動監控的公共安全組織（如警察部隊）而設計，但是其為交通部門、運輸和過境機構、應急響應服務和停車管理組織提供了許多潛在應用。
TruWITNESS可佩戴在個人身上或安裝于車內，包括可視視頻、音頻、全球導航系統（GNSS）、陀螺儀、加速度計和磁力計傳感器。上述傳感器結合使用，可實時向中央指揮中心發送警報和流式數據。該平臺具備菲力爾的感知附近（Neighbor Aware）設備間連接功能，可作為物聯網設備，觸發附近的TruWITNESS設備、固定或機動的平移-傾斜-變焦（PTZ）安全或交通攝像頭，以及其他網聯傳感器，以響應警報事件。
菲力爾商業業務部總裁Travis Merrill表示：“現今的可穿戴監控技術主要用于執法機構，但是我們詳細TruWITNESS可用于更廣泛的領域。配備了TruWITNESS平臺和網聯設備，安全人員不僅可以將視頻傳輸到指揮中心，還可傳輸至當地的執法部門和緊急醫療人員。TruWITNESS可讓任何公共安全組織都能使用視頻來應對復雜情況，而且會隨著威脅發生而不斷進化。”
來源：蓋世汽車網
展開 
中山大學吳進：高穩定/超靈敏/可拉伸/快響應/可穿戴水凝膠薄膜溫度傳感器
（a）描繪了TFSS傳感器的三明治結構的示意圖，其中水凝膠膜被兩層PDMS膜包裹。（b）示意圖說明通過鹽滲濾將LiBr引入水凝膠以提高穩定性。（c）TFSS傳感器的光學圖像以30％的應變拉伸并放置在智能手機上。屏幕上清晰可見熊的數字圖片。（d，e）顯示TFSS的橫截面輪廓的光學圖像。中間水凝膠層的厚度為12.15μm。（f）TFSS傳感器和塊狀水凝膠的透光率。
圖
2.示意圖，顯示了通過逐層旋涂技術制造TFSS傳感器的過程。
圖
3.拉伸性，抗干燥性和抗凍性。
（a）TFSS傳感器在0％和50％拉伸應變下的照片。（b）在25℃和22％RH下，相對于時間的散裝水凝膠，50重量％的LiBr滲透過的散裝水凝膠和TFSS水凝膠的重量損失。（c）三種樣品的重量損失與25°C下相對時間的關系，相對濕度從22％變為5％。（d）原始水凝膠和在50 wt％LiBr溶液中滲透2 h的水凝膠的DSC光譜。（e）在-18°C下存放超過24小時后，原始狀態（左），150°彎曲（中）和20％應變（右）時TFSS傳感器的照片，顯示了保留的柔韌性和可拉伸
性。
圖
4. TFSS傳感器的熱傳感特性。
（a，c）相對電容和電阻隨溫度的變化。插圖：TFSS傳感器的示意圖。（b，d）電容和電阻分別隨溫度變化。（e）最先進的可拉伸溫度傳感器的功能雷達圖。
圖
5.電容模式下的熱傳感機制。
（a）分別圖示了TFSS的橫截面輪廓（左）和溫度傳感器（中）在低溫（高于）和高溫（低于）時的等效電路圖的示意圖。（b）照片顯示在-18和40°C下分別沒有（左）和清晰（右）水滴從TFSS傳感器中擠出。（c）示意圖說明水凝膠-電極界面處離子的溫度依賴性吸附。
圖
6.
展開 新型碳納米管傳感器催生可穿戴的智能紡織品
想象一下是否有舒適和便宜的可穿戴面料能夠檢測各種壓力和運動呢？現在特拉華大學的科學家們已經創造了這樣一種技術，它可能會有一些有趣的應用。這種材料由副教授Erik Thostenson和博士生Sagar Doshi領導的團隊開發，材料的基礎包括常規面料，如棉、尼龍，聚酯或羊毛等。
開拓全新的應用
傳感器涂層織物的一個潛在應用是測量人們走路時腳上的力量數據。這些數據可以幫助臨床醫生評估患者受傷后的損傷情況，或者幫助運動員預防受傷。這個應用的開發工作是特拉華大學INBRE資助的一個試點項目的一部分，托斯滕森的研究小組正在與特拉華大學的機械工程學教授、神經肌肉生物力學實驗室主任吉爾·希金森（Jill Higginson）的小組合作，攻克其中的難點。他們的目標是拿這些嵌入鞋子里的傳感器，與傳統的生物力學實驗室技術如儀器式跑步機和運動捕捉等進行對比，看是否具備獨特的性能優勢。
人們在實驗室進行測試的時候是知道自己正在被監視的，但在實驗室之外，測試者心理狀況不同可能會導致其行為是不同的。
托斯滕森說：“我們設計了一個解決方案，在實驗室之外進行測試并獲取數據：穿戴有這些新穎的紡織品的測試者走在街上、家里、任何其他地方的時候，才開始記錄他們的數據。”
特拉華大學的機械工程博士、論文的主要作者SagarDoshi，在項目中負責的是制造傳感器、優化它們的靈敏度、測試它們的力學性能、并將它們集成到鞋子中。他已經在進行初步測試的人員身上佩戴了傳感器。
展開 由紙巾制成的可穿戴傳感器：柔軟、便宜、多用途！
每張紙巾都有水平和垂直的纖維，所以當紙張撕開的時候，裂口的方向會指示傳感器發生了什么情況。為了追蹤眼球運動，它們被貼在眼鏡上。
( 圖片來源：Dennis R. Wise / 華盛頓大學 ）
價值
Chung 表示：“最大的創新就是這種由廉價面巾紙制成的一次性可穿戴傳感器。當我們撕開樣品時，它就可以像傳感器一樣工作。”
這些邦迪創可貼式樣的小型傳感器可以應用于一系列領域。例如，監測一個人的步態或者眼球運動，從而觀察大腦功能或者游戲玩家的活動。這種傳感器還可以用于在家中測試需要特殊照顧的孩童的走動情況，從而避免了去醫院進行測試。
Chung 表示：“他們可以使用這些傳感器，并且在一次性使用后，可以拋棄掉。”
展開 液態金屬柔性可拉伸傳感器取得新進展
近日，中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所微創中心在超高可拉伸柔性傳感器的研究領域取得新進展，相關論文Microchannel Structural Design For a Room-Temperature Liquid Metal Based Super-stretchable Sensor（基于微通道結構設計的室溫液態金屬超高可拉伸傳感器研究）在Scientific Reports期刊在線發表（ DOI: 10.1038/s41598-019-42457-7）。該論文提出了一種微通道的優化設計，提高基于液態金屬柔性可拉伸傳感器的靈敏度。論文第一作者是深圳先進院客座碩士研究生高欽武，通信作者是王磊研究員和李暉副研究員。
柔性傳感器是可穿戴醫療、機器人等領域的研究熱點。柔性應變傳感器已經成為未來發展智能器件的重點研究方向，其在人機交互系統、電子皮膚、人體運動行為監測系統等領域具有廣闊的應用前景。其中，可拉伸性、靈敏度、穩定性、可靠性和舒適性是應變傳感器的重要性能指標，如何在實現高可拉伸性的同時大幅度提高靈敏度和可重復性仍然是目前面臨的一個挑戰。
為此，該課題組成員提出了一種基于微通道的優化設計、利用液態金屬制備的柔性可拉伸傳感器的方法。研究團隊利用有限元仿真優化結果，設計制備柔性可拉伸傳感器，實驗結果表明該柔性傳感器可在590%的拉伸，270o扭轉和180o彎曲的情況正常工作。當拉伸550%,靈敏度GF可達4.95,拉伸重復率誤差<0.1%,為實現人體手指、手腕等關節等運動精準測量提供了可行性方法，充分展示了其在柔性可穿戴電子設備領域的良好應用價值。
該研究得到了國家自然科學基金-深圳機器人聯合基金重點支持“穿戴式精確定位介入手術機器人的力覺感知與導絲操控機理（U1713219）”等項目的資助。
展開 北京大學：柔性可變形三維傳感器重要進展！
隨著人們日益重視生理健康，越來越多的業界人士致力研發可貼附在人體各個部位的柔性可穿戴式傳感器，用于監測溫度、心率、肌電、血壓等多種生理特征。然而，對于起伏很大、拉伸形變明顯的身體部位，尚需構建一個更加立體的可變形結構，實現與皮膚在任何狀態下的共形接觸，提高信號質量，減少監測時的噪聲。
近日，北京大學信息科學技術學院、納米器件物理與化學教育部重點實驗室胡又凡研究員課題組在相關研究中取得重要進展。他們首先采用銀納米線（具有良好的透光性、導電性和機械柔韌性）作為導電材料、聚對二甲苯作為襯底材料，構建3μm厚的超薄AgNWs/parylene復合薄膜，在導電性、透明度、穩定性等方面均具有優勢。
隨后，課題組將其應用于心電監測和高頻天線，所獲取的心電信號電壓幅值和信號特征與商用電極類似，可清晰記錄各波形的特征性心電圖峰；與此同時，制備的天線工作頻段在4.3 GHz以上，可覆蓋無線局域網（WLAN，5GHz）和射頻識別（RFID，4.3～5.8 GHz）的工作范圍，且具有良好的高頻特性和全向性。更重要的是，課題組基于“剪紙”工藝原理，提出一種構建三維可變形電子系統的通用方案，包括合理的激光圖案切割設計和獨特的圖形化流程。理論分析的結果證明通過切割圖形的設計，可有效增強薄膜與人體皮膚之間的黏附性。他們利用此三維可調結構，構建可變形的透明濕度傳感器，以手肘和手指關節為例，成功實現了這些部位的汗液監測。
被選為《先進科學》封面的可變形透明濕度傳感器研究
這一研究由此給出一種構建三維可變形傳感系統的通用策略，證明了在各類皮膚曲面上實現高性能傳感器系統的可行性，以及可應用于未來復雜皮膚表面的各類生理健康監測。
展開 一款靠太陽能發電的柔性傳感器 可監控心臟與大腦
近日，日本理化學研究所（RIKEN）與東京大學的研究人員合作，開發出一種超柔性、使用太陽能自主供電的有機傳感器，可以對心臟和大腦進行監控。
據報道，研究人員直接將可用來測量不同生物功能（biological function）的有機電化學晶體管感測元件，集成到一個柔性的有機太陽能電池中，這種自主供電的裝置可以直接安裝在人體皮膚或組織上，醫療應用潛力無窮，可作為生理傳感器使用，實時監控人體心臟或大腦的運行。
這類元件的運行關鍵在于能源供應的穩定與充足。其主要進展為在太陽能電池光吸收器上使用納米光柵（nano-grating）表面，以達到高的光電轉換效率（PCE）與光線入射角度的獨立性，讓研究人員能夠實現10.5%的光電轉換效率和每公克11.46瓦的高功率重量比。研究人員證明，在反復壓縮測試下（900次循環），光電轉換效率從9.82%降至7.33%，僅降低25%，與60度光角的非光柵元件相比，光電轉換效率提升45%。
為展示元件的實用性，研究人員將稱為有機電化學晶體管的感測元件與有機太陽能電池一起集成在一片超薄的基板上，可貼在皮膚上偵測心跳或直接在老鼠的心臟上記錄心電圖（ECG）。研究人員也發現，該裝置在10000lux下可以良好運行，相當于陽光普照下陰涼處的光線，而且此裝置由于不需要電線，產生的噪訊小于連接到電池的類似裝置。
理研創發物性科學研究中心研究員福田憲二郎（Kenjiro Fukuda）表示，這項研究讓開發人體組織自主供電醫療監控裝置向前推進一步，未來會繼續與其它團隊合作開發柔性電力儲存元件。提供裝置電力并進行測量屬于類比方面的研究，而傳輸資料的數碼芯片研究將有助增加這些裝置的實用性。
展開 北大研究人員在柔性可變形三維傳感器研究中取得重要進展
隨著人們日益重視生理健康，越來越多的業界人士致力研發可貼附在人體各個部位的柔性可穿戴式傳感器，用于監測溫度、心率、肌電、血壓等多種生理特征。然而，對于起伏很大、拉伸形變明顯的身體部位，尚需構建一個更加立體的可變形結構，實現與皮膚在任何狀態下的共形接觸，提高信號質量，減少監測時的噪聲。
近日，北京大學信息科學技術學院、納米器件物理與化學教育部重點實驗室胡又凡研究員課題組在相關研究中取得重要進展。他們首先采用銀納米線（具有良好的透光性、導電性和機械柔韌性）作為導電材料、聚對二甲苯作為襯底材料，構建3μm厚的超薄AgNWs/parylene復合薄膜，在導電性、透明度、穩定性等方面均具有優勢。隨后，課題組將其應用于心電監測和高頻天線，所獲取的心電信號電壓幅值和信號特征與商用電極類似，可清晰記錄各波形的特征性心電圖峰；與此同時，制備的天線工作頻段在4.3 GHz以上，可覆蓋無線局域網（WLAN，5GHz）和射頻識別（RFID，4.3～5.8 GHz）的工作范圍，且具有良好的高頻特性和全向性。更重要的是，課題組基于“剪紙”工藝原理，提出一種構建三維可變形電子系統的通用方案，包括合理的激光圖案切割設計和獨特的圖形化流程。理論分析的結果證明通過切割圖形的設計，可有效增強薄膜與人體皮膚之間的黏附性。他們利用此三維可調結構，構建可變形的透明濕度傳感器，以手肘和手指關節為例，成功實現了這些部位的汗液監測。
被選為《先進科學》封面的可變形透明濕度傳感器研究
這一研究由此給出一種構建三維可變形傳感系統的通用策略，證明了在各類皮膚曲面上實現高性能傳感器系統的可行性，以及可應用于未來復雜皮膚表面的各類生理健康監測。
展開 
中科院納米能源所李舟團隊和中南大學李宇晟合作《ACS Nano》：用于肌肉功能評估的可拉伸、自愈和、皮膚自粘附的主動式傳感器
肌肉功能是人體最重要的功能之一，但肌肉功能會隨著成年人的年齡增長而下降且易受到損傷。目前肌肉功能評估主要依賴于徒手肌力檢查、手持式測力儀，手握測力儀和經驗判斷等方法。其檢測結果往往受到測試場地、環境因素及測試人員主觀經驗判斷的影響，無法區分單一和群組肌肉功能。開發更先進，方便、準確的肌肉功能評估工具對臨床上肌肉功能準確評估和指導康復訓練具有重要意義。
近年來，基于靜電感應和電荷耦合原理的摩擦納米發電機（TENG）技術取得蓬勃發展，并在主動感知各種物理信號（如生物力、應變、壓力和身體運動）方面表現出巨大的優勢。TENG具有靈敏度高、可靠性高、功耗低、重量輕、成本低、可定制等特點，是肌肉功能監測的理想選擇。然而，傳統硬質的TENG與生物組織間存在模量失配問題，影響其生物信息測量的準確性和受試者的佩戴舒適度。金屬基電極在反復變形下容易產生脆性斷裂，限制了其在生物系統中的進一步應用。
近日，北京納米能源與系統研究所李舟研究員團隊聯合中南大學李宇晟副教授提出了一種基于TENG原理的可拉伸、自愈合和皮膚自粘附的主動式傳感器（TSAS），用于對參與肌肉訓練的多個肌肉群功能的同時、準確評估。為克服傳統金屬電極的脆性問題，設計制備了一種可拉伸，自愈合離子凝膠，并將其作為TSAS的電極層。以全柔性的硅膠，VHB和parylene-C分別作為摩擦層和封裝層，TSAS具有與肌肉組織相匹配的楊氏模量及皮膚粘附能力。經優化后的TSAS具有出色的電壓輸出和傳感特性，可實現0.2 mN的最小檢出限（相當于一粒米的重量），毫秒范圍內的快速響應時間，超過10萬次的循環穩定性及經過10次極端損傷/愈合過程后的穩定輸出。
展開 