近年來,柔性電子可在人體皮膚表面實現穿戴式實時連續信號采集和處理,已成為運動健康管理、疾病診斷監護、環境監測、人機智能交互等領域變革式的科學技術及各個國家重要的戰略性新興產業。柔性傳感器作為柔性電子的核心部件之一,影響并決定著可穿戴式智能設備的應用和發展。當前,絕大部分柔性傳感器在對物理信號(壓力/拉伸、慣性力、生物電、溫度、光學等)的采集中實現了廣泛的研究和較為成熟的應用。然而,用于生物化學信號(分子水平的氣體、生物代謝物分子等)檢測的柔性傳感器研究依然面臨著諸多挑戰。
大自然,自古以來就是人類各種科學發現、技術思想和發明原理的源泉。生物經過漫長的進化過程,擁有對外界環境信息接收、傳遞和控制的強大系統,很多功能是迄今為止任何人工制造無法匹敵的。例如,目前作為科學技術前沿研究領域之一的柔性傳感器,相比生物的柔性感官系統(嗅覺、味覺、觸覺、視覺和聽覺),仍然存在巨大的差距。因此,“仿生”的理念和方法,將為柔性傳感器及柔性電子領域的研究發展提供豐富的思路和設計原理。
近期,中國科學院蘇州納米所張珽研究員團隊在柔性仿生生物化學傳感器領域取得了新進展。通過模仿自然界生物體對外部生物化學分子刺激所產生的智能動態、可調控的響應特性,研究開發了一種對環境有機揮發性氣體(VOCS)動態雙響應的柔性傳感器(Bioinspired Flexible Volatile Organic Compounds Sensor Based on Dynamic Surface Wrinkling with Dual-Signal Response,Small, 2019, 1900216;內封面),和一種傳感性能程序化可調的可拉伸柔性葡萄糖電化學傳感器(Rhinophore Bio-inspired Stretchable and Programmable Electrochemical Sensor,Biosensors and Bioelectronics, 2019, 142, 111519)。
自然界中存在對有機揮發性氣體(VOCS)刺激響應現象,例如,人體皮膚長時間暴露于乙醇氣體中,表面會形成褶皺,如下圖1(A)所示。受此啟發,張珽研究員團隊利用聚合物薄膜材料對VOCS溶脹能力的差異,并創新性地引入導電網絡薄膜設計,研究開發了基于(AgNWs)/SiOx/PDMS 多層膜傳感系統。該傳感系統能夠對VOCS實現動態可逆的透明度和電阻雙信號響應特性,如圖1(B)所示。傳感響應機制源于有機高分子材料溶劑溶脹原理和褶皺形成原理:VOCS分子進入聚合物中克服高分子間內聚能,高分子鏈與VOCS分子混合導致高分子鏈被拉開,聚合物呈現體積脹大現象;由于SiOx和PDMS的溶度參數δp與VOCS的溶度參數δs三者之間的差異,根據|δp-δs|≤3.5J1/2cm3/2的原則,SiOx層在VOCS分子中溶脹成都遠大于PDMS層,由此產生的界面壓縮應力和材料模量的差異相互作用,致使薄膜表面形成褶皺機構;谏鲜鰝鞲袡C制,該系統實現了對乙醇氣體高選擇性、動態可切換的透明度和電阻變化。通過調控薄膜材料參數,實現了傳感器靈敏度和選擇性的可調性。研究團隊初步構建了一種對乙醇氣體具有雙信號響應的智能可穿戴柔性傳感器(圖1(C)和(D)),該柔性可穿戴智能傳感器系統兼具動態的視覺反饋和定量的電學信號,為基于化學分子響應的智能界面制備和研究提供了理論基礎和技術條件,在環境監測、可穿戴柔性電子等領域潛在的應用前景。
上述工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金,江蘇省杰出青年基金等支持。上述兩篇文章第一作者為王書琪博士,碩士研究生曲春燕參與了以上工作。
論文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201900216
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566319305986
- 南方科技大學郭傳飛教授團隊 Matter:柔性傳感器界面再突破 - 超細微柱賦能強韌粘接與高靈敏感知 2025-07-01
- 魯東大學徐文龍 Small:機器學習輔助的表面活性劑增強型抗溶脹水凝膠柔性傳感器用于水下手勢識別 2025-05-26
- 阿爾伯塔大學曾宏波教授 AFM:皮膚角質層啟發的本征保濕抗凍兩性離子水凝膠用于智能柔性傳感器 2025-04-14
- 福州大學林騰飛副教授、福州大學附屬省立醫院鄭曉春教授團隊 Small:高亮度熒光仿生軟體致動器 2025-07-18
- 聚烯烴材料自修復領域的突破性進展 - 天津大學潘莉教授團隊 Macromolecules:仿生雙晶相協同設計實現高強度智能自修復 2025-07-17
- 香港城市大學王彬課題組 CEJ:植物啟發梯度孔氣凝膠 - 實現界面蒸發中的快速水傳輸與低蒸發焓 2025-07-10
- 南洋理工大學魏磊教授團隊 Nat. Biomed. Eng.:用于智能傷口監測和加速愈合的纖維復合熱原電池敷料 2025-07-16