柔性仿生感測器領域取得系列進展

最新 03-01

隨著柔性電子學、材料科學及微納加工技術發展，柔性/可穿戴電子技術近年來成為電子器件研究的重要領域。其中，能夠實現對外界信號精確感知的高性能柔性可延展感測器是其中的基礎性核心元器件之一。由於具有良好曲面共形特徵及輕、柔、韌等特性，柔性感測器在人機交互、智能機器人、人工智慧、可穿戴設備、醫療監測及運動健康等戰略新興領域具有廣闊的應用前景。目前，科研人員在柔性電子器件研究中做出了很多創新性的工作，且該領域吸引了越來越多研究者的關注。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張珽課題組與合作團隊在納米智能材料、仿生微納結構、柔性可延展感測器件及其智能系統方面取得系列研究進展，並實現了柔性微納感測器的工程化、印刷批量製造與部分專利技術的產業化，受到國際國內同行的關注（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）。

面向特定應用場景的需求，柔性感測器須滿足高靈敏度、高穩定性、快速響應時間和長工作壽命等要求。迄今，人們發展了多種手段來提高柔性感測器的綜合性能，包括敏感材料合成及器件設計製備等，但這些手段通常都是基於現有複雜的加工手段及材料合成方法，存在一定的局限性。「仿生」是科學技術研究中重要的理念與方法之一，在自然界中，經過千百萬年演變與進化，各種生物體都能通過其獨特的形狀與功能實現對生存環境的適應。例如，蜘蛛可通過腿部皮膚裂紋微結構高靈敏地感知地面微振動而實現遠距離探測，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行偽裝保護等。因此，通過向自然學習，對生物界存在的物質及結構進行「模仿」和創新，發展以類似趨生物性的方式對外界多重物理、化學信息實時精確感知的仿生感測器件，為新型電子器件的設計與感測技術的發展提供豐富的思路和方法，表現出人工智慧特性，並拓寬探測技術的應用範圍。

近日，張珽課題組受Accounts of Chemical Research期刊的邀請，發表了題為Materials, Structures, and Functions for Flexible and Stretchable Biomimetic Sensors的綜述文章，闡述了該課題組和相關團隊最近幾年在柔性仿生感測器領域的研究工作，體現了仿生柔性感測器技術是實現「（機器）人-信息-物理系統」高效融合的重要途徑（圖1），並展望了該研究領域存在的問題和發展方向（Acc. Chem. Res.2019, 52, 288-296，Inside Cover,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00497）。

皮膚組織是生物體最大的感知器官，具有力學、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感測器-仿生「電子皮膚（Electronic skin）」出發，首先分析指出通過構建具有特殊功能或複合性能的新型敏感材料，能賦予感測器多功能的感知能力。例如，通過吸附水（Bound water）的吸脫附，敏感高分子膜能實現光、濕度雙重響應同時通過材料形變來將信號響應「可視化」。另外，通過多功能材料設計製備能賦予器件特殊性能，例如，利用蠶絲（Silk）等天然物質或可降解材料構築生物相容或可溶解感測器、利用聚合物氫鍵作用機理的具有類「皮膚」自修復功能的柔性感測器、基於超疏水能力智能塗層的多功能可拉伸感測器等。同時，分析指出通過設計和構築多種仿生微納敏感結構來提升柔性感測器性能。例如，通過對自然界中動物（蜘蛛等）、植物（荷葉、花瓣等）中仿生微納結構的復形，構築了能實現寬的感知範圍或選擇性方向響應特性的柔性感測器（圖2a-b）；基於仿織物條紋微納結構組裝的柔性器件（圖2d），能實現對微小壓力（0.6 Pa）的快速響應（10 ms）；通過對自然界中自不穩定態（Instabilities，如波浪、雲層、沙丘等）的模仿，可實現柔性感測器高延展性；採用預應力拉伸方法所組裝的具有「wave」結構的一維纖維狀/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，進一步拓寬了柔性感測器件在人體、輕量化裝備等方面的應用。

生物體尤其是人體的五官（觸覺、聽覺、嗅覺、視覺及味覺），是實現其對外界信息感知與交互的重要基礎性功能。張珽團隊從生物體感官功能角度出發，實現了多種新型柔性仿生器件的設計構建，如柔性仿生電子皮膚感測器（E-skin）、柔性仿生指紋結構感測器（Electronic Fingerprint）、柔性仿生電子耳膜（Electronic Eardrum）等（圖3），實現了對脈搏、心跳及血管微壓的高靈敏檢測（圖3a），對錶面剪切力、織物條紋及盲文字母的精確檢測（圖3b），以及對寬頻振動信號（20-13000 Hz）的高信噪比（～55 dB）、高穩定響應（150000 cycles）（圖3c）。結合課題組研製的微納氣體感測器（嗅覺）及可穿戴汗液感測器（味覺）等，類皮膚多參數感知特性的多功能柔性感測器系統將逐漸成為現實，未來將賦予仿生機器人等系統更加「智能」的類生物器官感知功能。

張珽從材料設計、系統集成及應用場景角度展望了該領域未來發展方向，如通過將形狀記憶合金材料、金屬有機框架材料及非傳統的分子機器、細胞有機體等引入器件設計之中，開發具有新的仿生物體功能的柔性感測器件；通過系統設計，構築輕量化仿生魚、仿生鳥等智能柔性感測-驅動一體化系統等。

上述工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省傑出青年基金和中國博士後基金等支持。文章的第一作者為李鐵，碩士研究生李玥參與該工作。