北卡罗莱纳州立大学Adv. Mater.综述：基于纳米材料的柔性可拉伸集成传感系统
【引言】
近年来，基于纳米材料的柔性和可拉伸电子设备取得了巨大进步，并逐渐从单传感器件发展到集成传感系统。与具有单一功能的纳米材料传感器相比，多个传感器的集成有助于全面监控个人健康和环境，实现智能人机界面以及机器人和假肢中人体皮肤的仿真设计。传感器与其他功能组件的集成有效促进了传感系统的实际应用。
【成果简介】
近日，北卡罗莱纳州立大学的朱勇教授（通讯作者）在Advanced Materials上发表了题为“Nanomaterial-Enabled Flexible and Stretchable Sensing Systems: Processing, Integration, and Applications”的综述。这篇综述覆盖了各种基于纳米材料的集成传感系统的设计思路以及制备方法，同时介绍了目前集成传感器系统在个人健康，健身追踪，电子皮肤，人工神经系统以及人机交互方面的代表性应用。该综述主要分为以下几个部分：第一部分为集成传感器系统柔性和可拉伸性的设计策略；第二部分为柔性以及可拉伸传感系统的制备方法；第三部分介绍了多个传感器集成和传感器与其他功能组件（例如，致动和用户交互组件，能量设备，以及数据处理，存储和通信模块）集成的代表性系统。第四部分主要介绍了柔性和可伸缩传感系统在个人医疗保健，健身追踪，电子皮肤和人机交互中的应用。
【图文导读】
图1柔性可拉伸纳米集成传感系统的设计策略
图2 柔性和可拉伸组件设计 
(a) 沉积在PDMS基底上的CNT网络的SEM图；
(b) 嵌入PDMS表面下方的AgNW网络的SEM图，插图为横截面视图；
(c) 分散在SBS中的Ag-Au NW网络的示意图；
(d) 电子皮肤在手上的应变分布图；
(e) 基于Kirigami设计的多功能集成柔性传感系统；
图3组件系统集成思路
(a) 通过打印电极连接的温度以及力学传感器；
(b) 由非共平面蛇形设计连接的晶体管岛；
(c) 由波浪/褶皱设计相互连接的传感器和电路模块示意图；
(d) 30％双轴应变下PEN基底以及可拉伸互联部分的应变分布图；
(e) 通过逐层层压垂直整合的温度和应变传感集成系统；
(f) 在磁场作用下形成导电核壳通孔的结构示意图（左），有无核壳结构的通孔在10%和50%拉伸下的应变分布；
图4 集成传感器系统的自下而上制备方法
(a) 基于喷涂的可穿戴系统制造工艺，包括应变传感器，ECG传感器和LEC阵列；
(b) 基于CNT的电化学传感器的丝网印刷工艺；
(c) 电化学传感器的R2R打印；
图5集成传感器系统的自上而下和自上而下/自上而下复合的制备方法
(a) 使用光刻和转移印刷制备基于石墨烯的电化学传感器阵列的关键制造工艺；
(b) 通过光刻，喷涂和逐层层压工艺制备可拉伸多功能石墨烯传感器矩阵；
(c) 通过丝网印刷和激光切割制备应变和温度传感器系统；
图6直接集成的柔性可拉伸传感系统
(a) 集成可穿戴贴片的制造过程示意图，其中ECG电极和热敏电阻印刷在承载IC的PI基板上；
(b) 在手上直接组装集成的传感系统，可用于关节屈曲监测；
图7集成传感器阵列
(a) 可拉伸的传感器矩阵；
(b) 垂直集成电子皮肤示意图，其压力变化是可视化的；
(c) 基于薄膜晶体管的20×20有源矩阵背板；
(d) 使用液态金属和AgNW贴纸互连的可拉伸有源矩阵温度传感器；
图8多传感器集成
(a) 应变传感器和基于晶体管温度传感器的集成；
(b) 包括四个应变传感器和温度传感器的电子皮肤；
(c) 可自愈合和再循环的电子皮肤；
(d) 具有温度和应变传感器的表皮贴片（上图）以及附在手腕上的照片（下图）；
(e) 含有电生理传感器（GEPS），温度传感器（GRTD）和皮肤湿度传感器（GSHS）的石墨烯电子纹身传感系统；
(f) 柔性pH和温度传感器贴片；
(g) CNT纤维上沉积活性材料制备的传感纤维阵列；
(h) 挥发有机化合物和压力传感器组成的集成系统；
图9具有用户交互和致动组件的集成传感系统
(a) 带显示的压力传感器阵列示意图，其中LED阵列与压力传感器通过打印电路和自组装的通孔互连；
(b) 可触摸交互的智能集成系统，包含触摸和温度传感器，无线线圈和药物输送泵；
(c) 基于核壳Au-Ag纳米线的可穿戴设备，包含生理传感电极，电触觉刺激电极和加热元件；
(d) 基于石墨烯的可穿戴无线智能腕带，包含LED，应变传感器，热致动器和离子电渗疗法电极；
(e) 闭环机器人致动和控制系统，包括人手臂上的应变传感器和电触觉刺激组件以及机械臂上的压力传感器；
图10带有自供能源的集成传感系统
(a) 用于触觉成像的自供电触觉传感器阵列；
(b) 电化学传感器和生物燃料电池阵列，包括电位铵传感器，电流型葡萄糖传感器和酶促葡萄糖生物燃料电池；
(c) 用于汗液分析的自供电可穿戴平台示意图；
(d) 自供电心脏传感器示意图和手指上附着OPV和OECT的照片；
(e) 与摩擦纳米发电机和超级电容器集成的自供电应变传感器；
(f) 压电发电机（PEG），压力/气体传感器，整流器，线过滤装置（MG-MSC）和微超级电容器阵列（MG-PANI MSC）集成；
图11带有数据处理，存储和通信模块的集成传感系统
(a) 基于晶体管的放大器和应变传感器（左）和放大的脉搏信号（右）；
(b) 电阻随机存取存储器（RRAM），加热器，应变/温度传感器以及药物输送部件的集成。该可穿戴设备专为运动障碍诊断和反馈治疗设计；
(c) 基于无线UHF-RFID的气体传感器；
(d) 集成无线葡萄糖传感器和眼压传感器的可佩戴隐形眼镜；
(e) 集成rGO气体传感器和PCB板的手表式气体监测仪；
图12集成多组件的代表性传感系统
(a) 可穿戴胸部贴片的照片，包括应变/皮肤湿度/ ECG传感器，电池和PCB；
(b) 可佩戴在手腕上的无线多功能汗液传感器阵列（左），汗液传感器阵列示意图（右）；
(c) 用于原位监测药物水平的汗液传感系统照片；
(d) 基于CNT电极的多层可穿戴系统；
(e) 具有多个传感器（即葡萄糖，湿度，温度，pH和震颤响应）和用于药物递送的热敏微针的糖尿病贴片；
图13柔性可拉伸集成传感系统在个人医疗保健和健身追踪中的应用
(a) 利用石墨烯电子纹身传感器测量ECG，EMG和EEG信号；
(b) 纳米线加热元件在手腕弯曲状态下的性能，其中温度由红外摄像机检测；
(c) 使用自供电应变传感器无创检测食管以及气管相关的肌肉运动；
(d) 通过附着在桡动脉上的表皮温度传感器和红外摄像机测量各种活动期间的体温变化；
图14柔性可拉伸集成传感系统在个人医疗保健和健身追踪中的应用
(a) 使用贴在颈部的可穿戴设备（左）和商用传感器获得的实时pH和皮肤温度（右）；
(b) 佩戴头带和腕带的受试者的照片（左），利用钠和葡萄糖传感器的非原位汗液感测结果与来自可穿戴设备的原位体内汗液分析的比较；
(c) 利用糖尿病贴片（汗液），商业葡萄糖测定（汗液）和商业血糖仪（血液）监测葡萄糖结果的比较；
(d) 糖尿病检测与治疗贴片用于控制患有糖尿病的鼠的血糖；
图15柔性可拉伸集成传感系统在电子皮肤中的应用
(a) 附着在人手掌上的传感器矩阵照片（左），以及瓢虫压力的应变分布（右）；
(b) 应变传感器，ECG电极和LEC阵列集成的电子皮肤照片；
(c) 左侧示意图为在棘层中具有突起和机械感受器（SA-1，SA-II，FA-1，FA-II）的皮肤结构。右图为基于电容压力传感机制和CNT/PU电极的仿生电子皮肤；
(d) 附着在机器手上的压力传感电子皮肤照片（左）。插图为矩阵的放大图像。电子皮安装在机械手表面以提供触觉反馈（右）；
(e) 具有压力，应变和温度响应传感器系统的机器手；
(f) 机械手接触冷杯和热杯时温度传感器的响应；
图16柔性可拉伸集成传感系统在神经系统中的应用 
(a) 可拉伸多电极阵列（MEA）在假手和周围神经之间的互连示意图；
(b) Sprague-Dawley大鼠体内测试的示意图和采集的信号；
(c) 附着在人体模型上的有机光电突触的示意图；
(d) 不同尖峰数量触发的EPSC；
(e) 聚合物致动器在有无应变状态下对于不同尖峰数量的响应位移；
图17柔性可拉伸集成传感系统在人机交互中的应用
(a) 可用于控制虚拟环境中手指的无线数据手套；
(b) 基于Ag纳米纤维的摩擦触觉传感器阵列，可用于控制简单的计算机游戏；
(c) 可安装在皮肤上的四通道压力传感器（通道1-4）和双通道应变传感器（通道5和6）用于机器人控制：施加在压力传感器阵列上的压力控制向前或向后移动，逆时针或顺时针旋转，由应变传感器检测到的手指弯曲控制加速或减速；
(d) 由（c）中所示的应变和压力传感器控制机器人的运动；
(e) 闭环控制系统用于控制机器人手臂以抓取物体；
【小结】
作者在本综述中全面介绍了各种类型的基于纳米材料的柔性可拉伸集成传感系统，并且着重从设计思路，制备方法以及目前集成传感器系统在个人健康，健身追踪，电子皮肤，人工神经系统以及人机交互方面的代表性应用，并基于此对纳米柔性可拉伸集成传感系统的未来前景进行讨论。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201902343 (Adv. Mater. 2019, 1902343, DOI: 10.1002/adma.201902343),
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