《AM綜述》香港科技大學(xué)：用于機(jī)器人、人機(jī)交互和健康監(jiān)測(cè)的柔性傳感系統(tǒng)

第一作者：Xupeng Lu

通訊作者：Mitch Guijun Li

通訊單位：香港科技大學(xué)

DOI: 10.1002/adma.73436

背景介紹

生物皮膚是一個(gè)重要的器官，具有多種生理功能，包括屏障保護(hù)、感覺、體溫調(diào)節(jié)、分泌和排泄、吸收、代謝和免疫防御。這些功能共同維持體內(nèi)平衡，使機(jī)體能夠感知外部環(huán)境，并支持適應(yīng)性行為。特別是，皮膚的感覺功能為感知機(jī)械、溫度和濕度刺激提供了主要途徑，是對(duì)視覺和聽覺輸入的補(bǔ)充。這種功能依賴于分布于皮膚多層結(jié)構(gòu)（表皮、真皮和皮下組織）中的多種特化受體；每一層又根據(jù)其特定功能細(xì)分（例如，表皮中的基底層；真皮中的乳頭層和網(wǎng)狀層）。如圖1所示，例如默克爾細(xì)胞、邁斯納小體、帕西尼小體、魯菲尼小體和游離神經(jīng)末梢。這些感受器將物理或化學(xué)刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過傳入神經(jīng)纖維傳遞至中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行整合和感知。因此，皮膚感覺可以概念化為兩個(gè)連續(xù)階段：（1）生物電信號(hào)生成（外周感受器對(duì)刺激的轉(zhuǎn)換），以及（2）信號(hào)后處理（信號(hào)通過傳入神經(jīng)的采集/傳輸以及在脊髓/大腦內(nèi)的中樞處理）。

電子皮膚（e-skin）是一種仿生平臺(tái)，它通過集成柔性材料以及電氣、機(jī)械和流體模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來模擬生物皮膚的關(guān)鍵功能（包括感受器和執(zhí)行器）。在本綜述中，電子皮膚主要指皮膚集成的柔性傳感系統(tǒng)，這是一類可穿戴傳感器，在機(jī)器人、人機(jī)交互（HMI）和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。首先，當(dāng)集成到機(jī)器人平臺(tái)上時(shí)，電子皮膚可提供分布式觸覺感知（例如，區(qū)分銳利度、材質(zhì)和表面紋理）和本體感覺反饋（例如，感知假肢關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的彎曲）。這些感覺輸入支持閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)操作，并促進(jìn)與動(dòng)態(tài)環(huán)境的安全物理交互。其次，電子皮膚可用作雙向人機(jī)交互界面。貼附于人體的傳感器可捕捉人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)，例如用于設(shè)備控制或交互系統(tǒng)輸入的手勢(shì)，而柔軟的傳感器機(jī)器人表面或觸控顯示器可檢測(cè)人體觸摸并提供與情境相符的反饋。這些功能可實(shí)現(xiàn)更直觀、更具沉浸感的交互模式。第三，電子皮膚可促進(jìn)對(duì)生理信號(hào)的無創(chuàng)監(jiān)測(cè)。機(jī)械傳感器可轉(zhuǎn)換與脈搏、呼吸、心率和步態(tài)相關(guān)的生物力學(xué)變化，而電化學(xué)傳感器可檢測(cè)生物體液中的生物標(biāo)志物變化。這些轉(zhuǎn)換信號(hào)以及腦電圖（EEG）、心電圖（ECG）和肌電圖（EMG）等電生理信號(hào)，均可使用高導(dǎo)電性電極記錄，以便后續(xù)分析。這些模式共同為健身追蹤、臨床診斷和康復(fù)提供了豐富的數(shù)據(jù)。總而言之，作為一種先進(jìn)的多模態(tài)傳感層，電子皮膚為智能系統(tǒng)感知來自物理環(huán)境和人體的信息提供了關(guān)鍵接口，在未來智能產(chǎn)業(yè)和智慧城市系統(tǒng)的發(fā)展中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。

目前，機(jī)器人、人機(jī)交互和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域常用的傳統(tǒng)剛性傳感系統(tǒng)主要依賴于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性測(cè)量單元（IMU）、光學(xué)探測(cè)器、機(jī)械編碼器和基于金屬應(yīng)變的力傳感器。盡管這些技術(shù)在其各自領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們也存在一些根本性的物理局限性，阻礙了其在高級(jí)應(yīng)用中的發(fā)展。MEMS IMU集成了加速度計(jì)和陀螺儀用于空間姿態(tài)計(jì)算，具有尺寸緊湊、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，適用于運(yùn)動(dòng)捕捉。然而，它們存在固有的累積積分漂移問題，并且只能作為本體感受器，無法感知外部物理接觸。光學(xué)/視覺探測(cè)器則可提供非接觸式、高分辨率的全局感知，適用于機(jī)器人導(dǎo)航、人體姿態(tài)跟蹤和生命體征估計(jì)。但是，光照變化、視線遮擋以及個(gè)人醫(yī)療保健中存在的隱私問題都會(huì)嚴(yán)重影響其可靠性。對(duì)于結(jié)構(gòu)跟蹤，集成在電動(dòng)鉸鏈中的機(jī)械編碼器能夠提供卓越的絕對(duì)精度和魯棒性。然而，它們笨重的結(jié)構(gòu)在與復(fù)雜的多自由度人體關(guān)節(jié)連接時(shí)會(huì)引入嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)學(xué)失配，導(dǎo)致用戶在進(jìn)行外骨骼輔助康復(fù)時(shí)感到不適，甚至可能造成損傷。此外，成熟的剛性力矩傳感器在測(cè)量宏觀載荷方面表現(xiàn)出色，線性度高，適用于機(jī)器人末端執(zhí)行器和步態(tài)分析平臺(tái)。但它們的關(guān)鍵缺陷在于無法與復(fù)雜幾何形狀實(shí)現(xiàn)共形集成。因此，它們無法提供高分辨率的分布式觸覺信息，同時(shí)其較大的剛體慣性也限制了動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶寬。

由于其固有的剛性和無法實(shí)現(xiàn)共形集成（圖 2），傳統(tǒng)的剛性傳感系統(tǒng)本質(zhì)上無法滿足現(xiàn)代應(yīng)用所需的靈活性、用戶舒適度和高分辨率分布式交互。這些顯著的局限性無疑凸顯了開發(fā)與皮膚集成的柔性傳感系統(tǒng)的必要性。為了實(shí)現(xiàn)從剛性盒子到共形皮膚的范式轉(zhuǎn)變，材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)電子皮膚的功能至關(guān)重要。在許多應(yīng)用中，僅具有柔性的材料（例如聚酰亞胺）無法貼合動(dòng)態(tài)或不規(guī)則表面。因此，應(yīng)探索具有高拉伸性或極佳柔順性的材料。此外，作為傳感功能的主要載體，這些材料及其微/納米結(jié)構(gòu)應(yīng)能高效地將外部刺激轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可測(cè)量的電信號(hào)。它們應(yīng)在較長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)保持穩(wěn)定的機(jī)械性能和信號(hào)轉(zhuǎn)換性能，在反復(fù)按壓、拉伸和彎曲的情況下保持結(jié)構(gòu)完整性和功能可靠性，并在汗液、高濕度和極端溫度等嚴(yán)苛條件下抵抗降解。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)和可穿戴應(yīng)用，生物相容性至關(guān)重要，透氣性和透濕性對(duì)于佩戴者的舒適度也十分重要。最后，為了實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展和可持續(xù)的部署，應(yīng)優(yōu)先考慮環(huán)境因素，包括使用無毒材料、采用環(huán)保的制造工藝以及開發(fā)可生物降解的電子皮膚系統(tǒng)。

電子皮膚反映了皮膚感覺的兩個(gè)階段，通常包含兩個(gè)主要組件（圖 3）：傳感元件（刺激轉(zhuǎn)換）和用于信號(hào)采集、傳輸和處理的電極/電路（信號(hào)后處理）。本文重點(diǎn)關(guān)注材料選擇和組合，以及機(jī)械刺激傳感元件、柔性電極和電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第二部分著重介紹壓力和觸覺傳感器。該部分概述了電容式、壓電式、壓阻式、摩擦電式、其他以及混合轉(zhuǎn)換機(jī)制的材料組合和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，并評(píng)估了在不同應(yīng)用場(chǎng)景下優(yōu)化性能的途徑。第三部分涵蓋了拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變傳感器。盡管其基本傳感機(jī)制與第二部分有所重疊，但電阻機(jī)制在應(yīng)變傳感中占主導(dǎo)地位。因此，本部分重點(diǎn)介紹了獨(dú)特的材料平臺(tái)，包括液態(tài)金屬（LM）、裂紋/缺陷金屬薄膜、凝膠基材料和離子液體聚合復(fù)合材料。第四部分討論了信號(hào)采集電極和信號(hào)傳輸/處理電路，這些部件不參與信號(hào)生成。本部分分析了電極配置如何影響空間刺激分布的重建，并回顧了制造技術(shù)以及具有形變不變互連的柔性電路實(shí)例。對(duì)于高導(dǎo)電性電極，本部分還討論了它們直接與人體耦合時(shí)在電生理記錄中的具體應(yīng)用，以及通過加載活性傳感材料或集成輔助配置，將其功能擴(kuò)展到生物體液（例如汗液）的電化學(xué)檢測(cè)。最后，第五部分總結(jié)了皮膚集成柔性傳感系統(tǒng)的最新進(jìn)展，并指出了未來研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和方向。

本文亮點(diǎn)

1. 本文系統(tǒng)地總結(jié)了用于機(jī)械刺激（按壓、拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)）的傳感元件，并根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換機(jī)制（包括電容效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電阻效應(yīng)、摩擦電效應(yīng)等）評(píng)估了材料選擇和優(yōu)化策略。此外，本文還探討了柔性信號(hào)采集電極和處理電路的設(shè)計(jì)和布局，并綜述了形變不變高導(dǎo)電材料的最新進(jìn)展。

2. 本文詳細(xì)討論了電生理監(jiān)測(cè)和生物體液物理化學(xué)傳感方面的具體應(yīng)用。

3. 最后，本文重點(diǎn)闡述了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向，旨在指導(dǎo)下一代智能電子皮膚的材料開發(fā)、優(yōu)化和應(yīng)用。

圖文解析

圖1. 生物皮膚的感覺系統(tǒng)，為電子皮膚研究提供仿生靈感。

圖2. MEMS慣性測(cè)量單元、光學(xué)/視覺探測(cè)器、機(jī)械編碼器、剛性力/扭矩傳感器和柔性電子皮膚的多維性能比較。（評(píng)分軸：優(yōu)秀、良好、一般、差、很差。）

圖3. 綜述的結(jié)構(gòu)概述：各部分之間的結(jié)構(gòu)布局和邏輯關(guān)系。

圖4. 柔性壓力和觸覺傳感器中的電容式轉(zhuǎn)換機(jī)制。(a) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 法向壓力和剪切力引起的電容變化。(c) 用于極地環(huán)境下運(yùn)行的機(jī)械臂的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)和靈敏度。(d) 層級(jí)圖案結(jié)構(gòu)、所制備的電容式電子皮膚照片及相應(yīng)的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(e) 基于超級(jí)電容器的電子皮膚的制備、工作原理及應(yīng)用。

圖5. 壓電轉(zhuǎn)換機(jī)制及壓力和觸覺傳感器中的代表性實(shí)例。(a) 壓力誘導(dǎo)晶體結(jié)構(gòu)變形及由此產(chǎn)生的電偶極矩示意圖。(b) 自組裝壓電晶體及相應(yīng)的傳感器。(c) 剛軟混合材料及仿人手指壓電電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖6. 微粒，采用熔融共混、壓縮成型和鹽析法制備。(c) 基于 P(VDF–TrFE) 的壓電傳感器，安裝在機(jī)械手掌上，用于精細(xì)抓取番茄和豆腐。

圖7. (a) 由天然材料制成的可持續(xù)壓電電子皮膚。(b) 由可食用豬皮明膠制成的可生物降解壓電電子皮膚。(c) 壓電離子轉(zhuǎn)換機(jī)制及其在機(jī)械爪中的應(yīng)用。

圖8. 用于柔性壓力和觸覺傳感器的壓阻轉(zhuǎn)換機(jī)制和材料策略。 (a) 采用Cr/Au線材的電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、變形模式和掃描電鏡圖像。(b) 采用AuNWs的電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和掃描電鏡圖像。(c) 采用碳納米管的電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和掃描電鏡圖像。(d) 采用石墨烯納米片的電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、變形模式和掃描電鏡圖像。(e) 采用MXene的電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和掃描電鏡圖像。（f）采用 PEDOT:PSS 和 MWCNT 的電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 SEM 圖像。

圖9. 用于增強(qiáng)壓阻傳感器性能的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（a）剪紙結(jié)構(gòu)。（b）折紙結(jié)構(gòu)。（c）微穹頂。（d）微錐體。（e）微納米網(wǎng)格。（f）微孔。

圖10. 用于壓力傳感器的摩擦電轉(zhuǎn)換機(jī)制及摩擦材料策略。(a) 摩擦電機(jī)制、傳感器結(jié)構(gòu)及工作順序示意圖。(b) 應(yīng)用于多點(diǎn)觸控可視化的摩擦電傳感器。(c) LM浸漬多孔PDMS的制備及其增強(qiáng)摩擦電性能。(d) 將Ni-MOP集成到摩擦電傳感器中以增強(qiáng)性能，以及相應(yīng)的高角度環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)圖像。(e) 用于摩擦電傳感器的表面功能化多孔明膠和MXene薄膜的示意圖和SEM圖像。

圖11. 提高摩擦電性能的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生物相容性研究。(a) 無圖案、線性、指紋狀和蜂窩狀表面圖案的摩擦電性能比較。(b) 由微/納米纖維制成的摩擦電電子皮膚。(c) 專為腸道環(huán)境設(shè)計(jì)的生物相容性摩擦電電子裝甲及其結(jié)構(gòu)。(d) 天然洋蔥皮用作可生物降解的摩擦材料：摩擦電傳感器結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的掃描電鏡圖像。

圖12. 電子皮膚的電容效應(yīng)、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和摩擦電效應(yīng)的多維性能比較。 （評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu)秀、良好、一般、差、很差。）

圖13. 其他用于柔性壓力和觸覺傳感器的轉(zhuǎn)換機(jī)制。(a) 集成晶體管以增強(qiáng)壓電器件性能。(b) 具有表面微結(jié)構(gòu)的光學(xué)壓力電子皮膚及其工作機(jī)制。(c) 可控孔隙率調(diào)節(jié)傳感系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)特性。(d) 柔性光學(xué)壓力傳感系統(tǒng)中采用的發(fā)光技術(shù)。(e) 磁性電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作機(jī)制。 f) 電子皮膚的感應(yīng)機(jī)制。

圖14. 用于柔性應(yīng)變傳感器的金屬基換能單元。(a) 用于應(yīng)變傳感的三維液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)及其相對(duì)于二維液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的性能提升。(b) 不同的初始缺陷密度會(huì)在拉伸過程中改變裂紋尺寸和間距，從而產(chǎn)生不同的電阻響應(yīng)。

圖15. 用于柔性應(yīng)變傳感器的凝膠基材料。(a) 由嵌入Alg-PBA/GG聚合物基質(zhì)中的AgNP/MXene網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的導(dǎo)電凝膠及其對(duì)應(yīng)的掃描電鏡圖像。(b) 由天然山羊皮膠原纖維制成的有機(jī)凝膠電子皮膚及其對(duì)應(yīng)的掃描電鏡圖像。（c）梯度泡沫結(jié)構(gòu)水凝膠的結(jié)構(gòu)和掃描電鏡圖像。（d）通過直接墨水書寫法制備的軟基質(zhì)/硬骨架復(fù)合凝膠。

圖16. 用于柔性應(yīng)變傳感器的離子液體-聚合復(fù)合材料。（a）在PDES離子液體基質(zhì)中制備自組裝CNC液晶骨架。（b）紫外光引發(fā)多功能共聚單體與離子液體[BMIM]TFSI的共聚反應(yīng)。

圖17. 三種電極配置。（a）“行+列”電極陣列及其在可擴(kuò)展觸覺手套中的應(yīng)用。(b) 空間分布的獨(dú)立電極及其在假肢裝置中的應(yīng)用。(c) EIT 電極分布及其在觸覺電子皮膚中的應(yīng)用。

圖18. (a) 用于腎功能障礙診斷的物理化學(xué)傳感功能化電極。(b) 典型的功能化電極結(jié)構(gòu)和兩個(gè)代表性的傳感層：交聯(lián)酶層和離子選擇性膜。

圖19. 高導(dǎo)電性可穿戴電極和電路。(a) 用于電生理監(jiān)測(cè)的可穿戴電極。(b) 典型的多層貼片電極及其結(jié)構(gòu)。(c) 通過掩模涂覆圖案化的典型流動(dòng)電極。(d) 典型的單片電極及其制造工藝。(e) 用作可穿戴電路的FPC。(f) 用于電路集成的嵌入硅橡膠中的銅線。(g) 用于電路集成的嵌入絕緣彈性體中的LM線。(h) 用于可穿戴電路的基于氣溶膠的多材料印刷的通用梯度界面。

圖20. 未來展望示意圖，包括研究方向和潛在解決方案。