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柔性传感器来袭：智能感知时代的大门已开启！

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-01-30 12:42

正文

柔性传感器以其独特的柔韧性和可变形能力，正悄然改变着我们的生活。从智能穿戴到健康监测，再到软体机器人，柔性传感器无处不在。它们不仅让设备更加贴近人体，更在无形中提升了我们的生活品质。柔性传感器究竟有哪些神奇之处?让我们一起揭秘。

自然界中的很多生物都具有感知系统，用于识别光、声音、生物化学分子等信息来感知环境。师法自然，人类制作各种传感器，给工业设备装上“眼睛” “鼻子”或“耳朵”。借助传感器独特的物理特性，高效、准确、实时获取外界环境、身体状况等信息，增强感知自然的能力，更好地与环境交互，从而提高人类的生活质量。

传感器的发展

在漫长的历史长河中，人类文明中第一个记录在册的传感器要追溯到2000多年前，拜占庭人斐罗(Philo)发明的测温仪。东汉时期，我国的科学家张衡(公元132年)发明了地动仪，用于监测地震发生的概率并判断地震发生的大致方向。这些早期时代的传感器主要将不易观察的物理量或事件转化为容易观测的机械输出。第二次工业革命以来，随着对电的利用和发电机的发明，传感器能够将物理参数转化为电信号，从而实现控制功能。例如，约翰逊(W. S. Johnson)在1883年发明的电动遥控测温器，不仅可以监测环境温度，还具有自动温度控制系统。而在电子工业促进了传感器及其他电子元件的小型化和集成化后，智能手机和智能手表等智能设备由此产生，它们一般具有几十到上百个传感器，为用户提供了良好的使用体验。近年来，随着物联网、工业4.0、大数据、人工智能、机器人和数字健康等技术和概念的发展，传感器变得更加互联与智能^[1]。其中有代表性的就是自动驾驶：智能汽车中嵌入了大量传感器，通过无线连接实现自适应的自动驾驶技术。

斐罗发明的测温仪示意图 由水壶、细管和密闭空铅球三部分组成。通过铅球内气体的热胀冷缩，观察细管内的水位可感知温度的变化。

在数字时代，数据交互的高效连通与决策很大程度上依赖于高质量的大数据。而将真实世界中的物理特征转化为数字数据就是传感器在数字化转型中的基本作用。然而，传统的传感器技术通常无法实现如此大规模的监测。随着电子设备的高度集成化和小型化，现代传感器作为智能电子和机器的重要组成部分，充分发挥其作用。但小而刚的特性限制了它们在许多领域中的使用，如可穿戴医疗设备、交互式机器人、智能包装等。在这种应用需求下，柔性传感器应运而生。

柔性传感器

柔性传感器一般由具有一定延展性的材料制成，并且不改变材料特性。按照柔性机理，材料大致可以分为两大类：一是基于材料本征特性的柔性材料，这类材料在分子层面就具备了良好的柔韧性，如高分子聚合物(如有机橡胶)和某些特殊聚合物(如聚氨酯泡沫)，它们的分子链结构灵活，相互作用力适中，使得整体材料能够在不失去结构完整性的前提下发生显著的形变;二是通过结构设计或复合技术实现的柔性材料，这类材料本身可能并不具备显著的柔性，但通过精巧的几何结构设计(如纺织材料的编织方式)、层叠复合(如多层薄膜结构)或微纳加工技术(如纳米线阵列)，使得整体结构在宏观上展现出良好的柔韧性。这两大类材料共同构成了柔性传感器的基础，为其在可穿戴设备、健康监测、软体机器人等领域的广泛应用提供了可能性。

与非柔性传感器相比，柔性传感器具有诸多突出优势，使其成为大多数可穿戴传感系统的更好选择：①具有高柔韧性、可弯曲性和可折叠性，能够测量动态或形状变化的物体和大面积非平坦的表面;②基础材料价格低廉，并且能够通过印刷等大规模制造工艺生产，具有大规模部署的经济可行性;③使用轻质的有机材料并在结构设计上倾向于薄膜形态，柔性传感器重量更轻，有利于大规模集成、分布与应用;④可以使用具有可回收性和生物降解性的有机材料制作，能够更环保地生产和处理，并解决电子废物问题。根据所感知的物理量不同，大致可以分为以下几类。

应变传感器

应变是指物体受到外力作用时发生的微小形变。应变传感器表面一般覆盖着应变敏感元件，当受力变形时，传感器上的敏感元件会产生应变，导致其电阻、电容或压电等物理性质随之改变，将机械变形转化为电信号，从而推断出传感器受到的应变大小。

压力传感器

压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理电路组成，能够将压力转化为电信号输出。当受到压力作用时，敏感元件的电阻、电压或电容等物理性质会发生变化，这种变化被信号处理电路捕获并转换成相应的电信号。

温度传感器

温度传感器可分为接触式和非接触式两大类。非接触式温度传感器的原理是基于测量加热体热能的辐射，通常不在柔性衬底上进行。接触式温度传感器可以进一步分为两类：电和非电。非电接触式利用固体、液体和气体的物理性质的变化来表示温度;电接触传感器随温度改变其电学性能。大多数柔性温度传感器都属于电接触式，电阻、电容、热释电、热电都是可行的原理。

电动遥控测温器 内部包含一个带有熔断器的钢铜元件，能够根据区域的温度变化改变形状。该元件的另一端连接到一个阀门上，这个阀门控制水蒸气或热水释放到该区域的通风口中。阀门会随着金属元件的热胀冷缩而打开或关闭，保持室内温度的相对稳定。

磁性传感器

磁性传感器通常由堆叠在柔性基板上的薄膜材料制成。现已开发出基于巨磁阻、各向异性磁阻、霍尔传感器、自旋阀、隧道磁阻和磁阻抗的柔性磁传感器。当磁性传感器中磁性材料暴露在磁场中时，会受到磁场力的作用，产生霍尔效应、引起磁导率等物理性质的变化。传感器捕捉这些变化便可测量磁场的强度和方向。

光传感器

光传感器通过测量辐射能产生指示光强度的输出信号。辐射能存在于一个相对特定的频率区间内，我们通常将这一区间内的辐射称为“光”。光的频率范围广泛，涵盖了频率较低的红外光、可见光和频率较高的紫外光。光传感器就将这种光信号转换为电信号输出。光传感器分为两大类，一类能够在照明条件下显著改变其电流或电压输出，从而直接产生电力，如光伏传感器和光电发射器件;另一类是通过光照以某种方式改变其电气特性，从而实现对光信号的检测，例如光敏电阻和光电晶体管。

化学传感器

化学传感器是一类特殊的传感器，用于检测化学物质的存在及浓度。传感器元件由特定的感测材料制成，这些材料的目标化学物质具有高度选择性。当目标化学物质与感测材料接触时，会发生特定的化学反应，并产生一个可测量的信号。

研发生物医学设备，护航生命健康

近年来，随着社会经济的蓬勃发展和人民生活质量的持续提升，公众的健康意识逐渐觉醒，对健康的关注度显著提高。与此同时，慢性病及其他健康问题的频发，成为社会广泛关注的焦点，深深牵动着每个人的心。然而，这一现状却面临着医疗资源相对稀缺与长期治疗费用高昂的双重挑战。柔性传感器的应用为健康监测领域带来了革命性的变革，它不仅能够实现便捷、精准的健康数据收集，还能显著降低监测成本，从而极大地缓解了医疗资源紧张的问题，有力护航人们的生命健康。

脑动脉瘤监测

脑动脉瘤是颅内的一颗定时炸弹，一旦破裂会造成颅内出血，具有相当高的致死率，因此对患者进行实时监测至关重要。但由于许多被诊断为动脉瘤的患者在动脉瘤破裂前没有出现相关症状，医生大多选择在干预前采取观望态度，这往往会导致患者错过最佳抢救时间，带来不可挽回的后果。并且，目前衡量动脉瘤严重程度的主要方法是对患者进行血管造影，存在一定的辐射危害。

将一种依靠气溶胶3D打印出的柔性传感器包裹在支架或分流器上，以导管的形式植入患者关键血管内，控制其中的血流速度，可以降低动脉瘤破裂的可能性，或可在破裂后争取宝贵的抢救时间^[2]。

血氧含量监测

外周动脉疾病是一种常见的心血管疾病，全球患者超过2亿，有着高致残率和死亡率。目前临床诊断主要依靠踝肱指数测量和计算机断层扫描血管造影。踝肱指数是一种通过测量下肢血压推断血氧水平的简单方法，因此经常发生误诊，需要辅以计算机断层扫描血管造影来矫正结果。这些检测只能在医院由专业培训的医生做，存在单次性、价格昂贵的问题。基于近红外发光二极管和探测器构成的柔性光电生物传感器，能够贴肤实时监测脑氧饱和度、心率、动脉血氧等多种生命体征，可以准确评估外周动脉疾病患者的下肢氧分压，颠覆性地改变目前主要临床诊断依赖的踝肱指数，并修正踝肱指数误诊结论^[3]。

运动姿势优化

采取和保持正确的运动姿势对专业运动员取得良好成绩、保护身体安全有着极其重要的意义。2021年，我国短跑健将苏炳添与合作者的研究肯定了柔性电子、光电可穿戴传感器在指导科学训练中的价值^[4]。柔性传感器可以集成到运动员丝质衣物、背带甚至袜子中，跟踪他们的运动序列，识别运动中腿部受到的压力等，教练可以据此纠正运动员的姿势以提高成绩。

聚焦智能设计，提高生活水平

在物联网和人工智能的发展下，人们对于高科技产品的需求也日益增加。柔性传感器被广泛应用于各种智能产品中，让我们的生活更加便捷舒适，带来了科技改变生活的新体验。

食品保质

民以食为天，食品安全问题一直是人们关注的重点问题。许多人严格遵守食品包装袋上的保质期，一旦食品过了保质期，就将它立刻丢弃，但这个食品可能仍然可以安全食用。相反，因为储存方式不当等原因，有些仍在保质期内的食品或许早已变质。这意味着食品保质期并不是那么的精确。现在已经设计出一款用柔性导电油墨制成的气体传感器，将其打印在食品包装袋上，可以监测包装内二氧化碳、氨气等气体的含量，从而让人们对食品的安全状况有着更加充分的了解，可以更有信心地吃掉一些稍微过期的食品，而不是扔掉它们^[5]。

智能纺织品

智能纺织品市场正逐渐成为全球经济增长的新引擎。未来十年内，在物联网、人工智能的飞速发展下，智能纺织品会彻底改变人们的生活。柔性传感器和电路的可拉伸性和可弯曲性使它们成为纺织品集成的理想选择。理想的智能纺织品是一个集传感、数据处理、执行、存储和通信等功能为一体的计算系统。以此设计出的智能纺织品能够感应外部条件，监测其对人体或环境的影响。人体运动监测、医疗与保健、能量收集和环境监测领域都将有它的一席之地^[6]。

推动人机交互

人机交互是人工智能时代的重要基础，如何加强机器对人类的理解是人机交互的重要问题之一。如果机器能够像人类一样，可以通过触摸来感知情感表达，这将使人机交互变得更加自然与丰富。借助柔性电子皮肤，信号采集系统能够高频地读出电子皮肤压力传感器阵列的输出，实时捕捉触摸到的时间维度特征。并通过深度神经网络从触摸的空间、力学和时间维度中学习特征和模式，实现社交触摸情感识别。

结语与展望

随着柔性传感器技术的快速发展，我们正逐步进入一个全新的智能感知时代。柔性传感器以其独特的柔韧性和广泛的适用性，正深刻改变着我们对物理世界的感知方式，也在无形中改变了我们与电子设备和周边环境的交互方式。

机器人在未来能够通过触摸来感知和表达情感

未来，柔性传感器技术也将在更多领域发挥巨大潜力，其在医疗健康、环境监测、智能家居以及工业自动化等领域的应用，将推动我们进入一个更加智能、高效、人性化的新时代。

参考文献

[1]Han S T, Peng H, Sun Q, et al. An overview of the development of flexible sensors.Advanced Materials, 2017, 29(33): 1700375.1-1700375.22.

[2]Xin M, Yu T, Pan L J, et al. Multi-vital on-skin optoelectronic biosensor for assessing regional tissue hemodynamics. SmartMat, 2022, 4(3): e1157.

[3]Herbert R, Lim H R, Rigo B, et al. Fully implantable wireless batteryless vascular electronics with printed soft sensors for multiplex sensing of hemodynamics. Science Advances, 2022, 8(19): eabm1175.

[4]苏炳添, 李健良, 徐慧华, 等. 科学训练辅助: 柔性可穿戴传感器运动监测应用. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(01): 54-74.

[5]Si L Y, Wei T, Chen S J, et al. Flexible organic polymer gas sensor and system integration for smart packaging. Advanced Sensor Research, 2023, 2(11).

[6]Shi Y Q, Zhang Z Y, Huang Q Y, et al. Wearable sweat biosensors on textiles for health monitoring. Journal of Semiconductors, 2023, 44(2).

关键词：柔性传感器可穿戴设备健康监测

来源：科学杂志1915

原标题：柔性传感器引领智能感知时代