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研究背景
生物配备了光、声、嗅等生物感官系统，以监测和适应环境。除了自然感官外，人类还使用合成、制造的传感器设备，使用户能够利用传感器固有的物理特性来测量感兴趣的物理和心理条件的值——增强我们感知世界的自然能力，使我们能够与环境互动并改善我们的生活条件。传感器可用于测试病人的常见疾病，甚至预测疾病，检测每个食品包装中的细菌生长情况，或监测每个湖泊、溪流和河流的污染情况。然而，传统的传感器技术通常无法实现这种大规模的泛在监测。由于高度集成化和小型化现代传感器作为智能电子/机器的组成部分已经足够了，但是它们的小而僵硬的外形限制了它们在许多应用中的使用，如医疗保健可穿戴设备、互动机器人、智能包装和建筑集成电子。
研究成果
在数字化和大数据时代，人类越来越依赖传感器来应对巨大的挑战并提高生活质量。为了实现无处不在的传感，柔性传感器被开发出来，以克服传统刚性对应物的限制。尽管在过去的十年里，实验室研究取得了快速的进展，但柔性传感器的市场应用仍然有限。为了缓解和加快它们的部署，在此，新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队就此发表综述，确定了阻碍柔性传感器成熟的瓶颈，并提出了有希望的解决方案。首先分析了在为现实世界的应用实现令人满意的传感性能方面的挑战，然后总结了在兼容传感器-生物接口方面的问题，接着是关于供电和连接传感器网络的简要讨论。还分析了商业化过程中的问题和该领域的可持续发展，强调了环境问题，并强调了非技术问题，如商业、监管和道德考虑。此外，还展望了未来的智能柔性传感器。通过提出一个全面的路线图，希望将研究工作引向共同的目标，并指导来自不同社区的协调发展战略通过这样的合作努力，科学的突破可以更快取得，并为人类的进步提供资本。相关报道以“Technology Roadmap for Flexible Sensors”为题发表在ACS Nano期刊上。
图文导读
Figure 1. Evolution of sensor technology.
Figure 2. An overview of issues covered in this Review， including challenges for flexible sensors in the near future (left) and issues to address in the long run (right).
Figure 3. Overview of key issues in the sensing performance of flexible sensors.
Figure 4. Barrier properties against (a) water and (b) oxygen of common materials used in flexible sensors， plotted versus elastic modulus.
Figure 5. Selective gas sensors.
Figure 6. Current interconnection approaches for flexible sensors and arrays.
Figure 7. Performance of intrinsically stretchable (a) conductors and (b) semiconductors.
Figure 8. Conventional time division multiple access (blue panel) and emerging event-driven spike generation (red panel) as array data collection strategies.
Figure 9. Subthreshold Schottky-barrier thin-film transistors (SB-TFTs).
Figure 10. Challenges in achieving compatible sensor-biology interfaces.
Figure 11. Major innovations in materials and form factors， respectively， towards seamless sensor-biology interfaces.
Figure 12. An energy-efficient sensing system incorporating multiple strategies for power management: reliable and high-power ambient energy harvesting， large-capacity energy storage in flexible form factors， reliable and efficient wireless power transfer， and systemic power management.
总结与展望
在现代社会以及大数据和数字化时代，传感器已经成为不可或缺的东西。为了实现大规模传感和对无处不在的物体进行传感，柔性传感器使我们能够超越传统的刚性传感器，实现对复杂形状和变形表面的高保真测量，以及(潜在的)低成本的大面积制造。这些特点使柔性传感器在各种应用中表现出色，如可穿戴健康监测、智能包装和建筑一体化传感。尽管在研究方面有强大的推动力和快速的进展，但柔性传感器的工业和市场应用仍有待于未来。为了找出路障，作者分析了有关柔性传感器和系统的性能、制造和商业化的关键挑战，并提出了解决这些问题的可能办法。
柔性传感器在稳定性、选择性和敏感性方面的性能需要改进。稳定性是最大的挑战，需要有效的包装策略和封装材料。然而，与温度有关的不稳定性很难用这些策略来解决。具体来说，对于可穿戴生物传感器，生物污垢和生物受体的不稳定性是关键问题。需要智能的表面工程和固定化策略，而分子印记聚合物已经成为生物受体的一个有希望的替代物。对于新兴的传感器技术，应适当报告和处理相关操作期间的信号漂移。
选择性是机械传感器、生物传感器和气体传感器的一个主要问题。特定的传感材料和选择性传感阵列是提高选择性的两种一般方法。尽管这两种策略对机械传感器来说都产生了很好的效果，但在传感器设计和数据分析的复杂性方面存在着权衡。选择性的生物传感器通常需要使用生物识别元件，这些元件具有特殊的特异性，但有时却因稳定性差而受到阻碍。纳米催化剂在某些情况下可以提供特异性。与生物传感器密切相关，柔性气体传感器是一个新兴的领域，在这个领域中，材料工程对特定的气体感应仍然是一个基本挑战。选择性传感阵列是更常用的，其中模式识别的算法对检测的准确性具有决定性作用。
同时实现高灵敏度、宽感应范围和线性度是机械传感器的一个主要挑战。传统的微观结构和材料工程策略可用于实现妥协。最近提出的传感机制仍然需要完善，而新兴的按需性能编程的想法为不同的应用提供了可定制的传感器。灵敏度是生物传感器检测具有临床意义的低浓度生物标志物的关键挑战。纳米材料在这方面发挥着核心作用，它们是催化剂、电极和/或转导装置的一部分。尽管荧光感应比比色感应的灵敏度有很大提高，但简单而准确的信号检测是一个瓶颈。分析物的预浓缩和电路的信号放大也是提高生物传感器灵敏度的选择。
除了灵敏度、选择性和稳定性之外，机械传感器的动态响应应被视为一个基本的性能指标并在未来的研究中进行适当的测试和报告。滞后、响应时间和应变率依赖性是主要的问题尽管结构和材料工程在一定程度上有所帮助，但有效的解决方案仍然难以实现。可穿戴生物传感技术有待改进，使可获得的生物标志物多样化，并巩固连续监测能力。为此，需要无标签、无试剂、无清洗的传感方法，以及再生策略。重要的是，在传感器开发到部署的整个过程中，应考虑到传感器的精度保证。校准是特别关键的，但往往被研究界所忽视。对精确传感同样重要的是在传感器数据和被监测物体/环境的状态之间建立强大的关联。这对健康监测传感器来说是一个严重的问题，许多生物医学问题有待于大规模的系统调查和验证。
机械公差是柔性传感器性能的第二个重要方面。柔性传感器需要在使用过程中承受机械变形。最突出的挑战是在软-硬界面上，而互连尤其令人担忧。改善界面附着力和采用模量的逐渐变化是被证明的原则，正在进行的工作提出了各种实施方案。对于柔性混合系统中的互连，已经提出了许多解决方案，但结果还不能令人满意。在多功能的应用场景中，具有强粘合性的软性互连是可取的。另外，也可以采用子系统之间的无线连接。第二个问题是扩大柔性传感器的弹性变形范围，这已经通过结构工程和材料创新得到解决。值得注意的是，离子导电材料，如水凝胶，为传感器的发展提供了柔软和可拉伸的材料平台。然而，要实现令人满意的性能和现实的制造，仍有许多工作要做。第三，对于经历重复变形的传感器应考虑疲劳问题。界面工程和裂纹稳定化是重要的课题。
柔性传感器还需要在变形下保持稳定的功能。对信号输出的应变效应进行解耦是一个挑战。尽管扩大弹性范围的努力有助于缓解这一问题，但要实现完全不受应变影响的性能是具有挑战性的。运动伪影是可穿戴传感器的严重问题。加强传感器的适应性和粘附性以及在系统中加入多个传感器是有效的方法，但仅通过硬件优化来消除所有与运动相关的噪声是具有挑战性的。噪声过滤的信号处理需要定制解决方案来解决复杂的人类运动。机器学习在这方面显示出早期的前景。具体来说，开发能够在变形或运动中保持稳定性能的柔性光学传感器仍然是一项基本挑战。最后，为了使柔性传感器能够抵抗机械损伤，正在开发坚韧的、自我修复的和硬化的材料。
文献链接
Technology Roadmap for Flexible Sensors
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12606
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视频号：#柔性电子那些事
