盘点：对弯曲不敏感的柔性可穿戴应力（应变）传感器

●柔性应力（应变）传感器，由于其优异的传感能力、可贴合人体和舒适的可穿戴性等优势在柔性电子领域具有广阔的应用前景。然而，对于这种力学传感器而言，柔性化也是一把双刃剑，这意味着传感器不仅会感知平面的法向力，还可能会在弯曲、扭曲时产生干扰信号。这阻碍了柔性力学传感器对施加于其本身的压力、应变信号的精准检测，抗弯曲干扰能力是柔性力学传感器未来走向应用需要解决的科学问题。因此，这期微信公众号推送关注于具有抗弯曲干扰能力的柔性压力（应变）传感器研究进展，选用7篇文献，供学习与交流。

● 面向人类的柔性人机交互界面，可以通过兼容的传感反馈机制智能地响应其周围环境。特别是，柔性应变传感器（在低应变下具有高分辨率（小于5％））赋予了柔性电子器件巨大的应用前景。然而，以往所报道的柔性传感器通常不能同时兼备高应变灵敏度和高机械弹性。缺乏弹性和顺应性的超灵敏传感器件，使仅限于实验室内展示，从而阻碍了其走向市场。

● 本文基于各向异性电阻式结构（SCARS）中的应变介导接触，提出了一种具有高机械弹性、高灵敏、通用的且顺应性的柔性应变传感器。该机制依赖于可拉伸薄膜封装的刚性、微结构、各向异性导电蛇形线之间欧姆接触的变化。该器件具有很高的灵敏度，其规格系数（GF）大于85000，同时适合与高强度导体一起使用，因此可以嵌入纺织品和软机器人。此传感机制还具有很高的线性度，并且对弯曲和扭曲变形不敏感，这些特性对于柔性电子设备应用十分重要。作为概念验证，研究人员还构建了一个基于纺织品的手臂套集成的、轻巧的柔性应变传感器，可以识别手势。通过检测手臂中的小肌肉运动，演示了离散手势和连续手势的预测性跟踪和分类。手臂套集成器件的演示展示了SCARS技术在开发隐身、可穿戴的生物力学反馈系统和人机界面方面的潜力。

● 测量小的法向压力对于准确评估曲线和动态表面（例如天然组织）中的外部刺激至关重要。通常，灵敏、精确的压力传感器是通过与物体表面的保形接触来实现的。但是，由于传感器的柔性化，这也使它们对机械变形（弯曲）敏感。因此，在实际应用中，当一个软物体被另一个软物体挤压时，想要单独测量法向压力变得异常困难，这是因为柔性变形所产生的干扰难以避免。

●本文报道了一种即使在极端弯曲的条件下，也只能测量正常压力的压力传感器。在本文中，为了降低弯曲敏感性，研究人员使用了碳纳米管和石墨烯的复合纳米纤维。仿真模拟表明，这些纤维改变了它们的相对排列以适应弯曲变形，从而减小了单根纤维的应变。压力敏感度可保持低至80 μm的弯曲半径。为了测试所制备传感器在软机器人和医疗应用中的适用性，研究人员制造了厚度仅为2 μm的集成传感器矩阵。研究结果显示了在不同、

● 用于实时触觉感测的可穿戴应变传感器在人机交互、健康监控的应用中至关重要。典型的电信号拉伸应变传感器，在拉伸应变时的绝大多数表面运动还包含弯曲和压缩等，因此开发一种抗干扰应变传感器（仅在复杂条件下检测拉伸应变）是非常困难的。

● 近年来，许多研究试图通过用弹性体封装导电网络配置来提高应变传感器的灵敏度（规格因子（GF））、传感范围和可靠性。然而，弹性体始终缺乏空气和汗液的渗透性，这会在人体感应过程中带来不适感，甚至刺激皮肤。尽管已报道的无封装织物应变传感器具有一定程度的渗透性，但也不可避免地显示出对压力和弯曲的显着响应。因此，迫切需要开发一种可呼吸、对压力/弯曲不敏感的应变（PBIS）传感器，可以自由排泄皮肤代谢产物，并仅用于精确测量运动表面上的拉伸应变。

● 本文首次报道了一种通过在水溶性基材上绣有弹性/导电纱线而制成的高度透气的PBIS传感器。去除基材后，连续导电的纱线构成应变传感网络。显示出对拉伸应变的出色灵敏度，这比弯曲（在75％弯曲时GF≈-0.09，在100 kPa压力下约为0.006 kPa-1）高好几个数量级。值得注意的是，该传感器在很宽的感测范围内均具有出色的线性度和高灵敏度（GF≈49.5，应变为0-100％，R2=0.995）。由于织物结构的高孔隙率，PBIS传感器对空气、湿气和水蒸气显示出良好的透气性，从而保证了皮肤表面和可穿戴传感器之间的微环境的穿着舒适性。

● 力学触摸传感器，由于其具有检测触摸和压力的通用能力，因此在各种应用中引起了广泛的关注。为了开发高性能的力触摸传感器，已经进行了许多研究，重点是高灵敏度、透明性和抗弯曲的机械耐久性。然而，力触摸传感器走向市场仍然具有挑战性，因为当设备弯曲时，其感测性能会因感应的机械应力和变形而发生变化和下降。

●本文报道了一种具有弯曲不敏感的高性能、透明的纳米级力触摸传感器。这是通过开发薄的、柔性的和透明的分层纳米复合薄膜来实现的，该薄膜由纳米结构的塑料基底、共面电极以及带有银纳米粒子的介电聚合物层组成。其制造过程很简单，可以在大面积（8英寸）规模上实现制造高重复性、均匀性和可靠性。所制造的设备在高达3 kPa的压力范围内显示0.036 kPa-1的压力灵敏度，并具有高透明度（83％）。尤其是，其薄的厚度（45 µm）和共面电极能够实现出色的对弯曲的抗干扰性，其曲率半径为4 mm超过10000倍。

● 本文展示了一种高性能、待机零功耗的柔性压力传感器，通过引入一个可调光致抗蚀剂隔离层（PS），将其夹在顶部的截头金字塔型微结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）/铝掺杂的氧化锌（AZO）和底部的PI/Au叉指电极（PDMS-AZO/PS/PI-Au）之间。制成的压力传感器在小于20.5°的弯曲角度下具有弯曲不敏感和零功耗的优点，这得益于PS的绝缘效果。研究表明，制成的传感器在62 Pa-9.6 kPa的超宽线性响应范围内具有2200 kPa-1的超高灵敏度，并具有快速的响应和恢复时间（<20 ms）。此外，根据有限元建模（FEM），事实证明，引入顶部和底部微结构可提供多个接触阶段（例如点接触、点饱和和表面饱和）并进一步扩大接触面积，从而获得超高灵敏度和宽线性响应范围，这在实验结果中得到了有力支持。作为概念证明，人造体反射弧已成功集成到志愿者中，以调节LED照明的亮度和数量。可以相信，这种高性能压力传感器在各种实际的基于柔性矩阵的场景中具有广阔的应用前景。

● 柔性可穿戴压力传感器由于其在人机界面和医疗保健监控中的广泛应用而备受关注。然而，要实现精确的压力检测以及在从触觉到体重的较大压力范围内抵御外界刺激（尤其是弯曲变形）的稳定性是一项巨大的挑战。

●本文介绍一种基于人机界面设备的超宽范围、弯曲不敏感柔性压力传感器，它是基于碳纳米管（CNT）涂层的多孔弹性体海绵而制备的。将CNT网络集成到三维微孔弹性体中，可提供高变形能力，并且由于存在微孔，导电CNT网络之间的接触面会发生较大变化，因此与使用CNT嵌入的固体弹性体相比，灵敏度更高。随着导电路径的不断产生直至高压缩应变（80％），压力传感器显示了超宽的压力感应范围（10 Pa至1.2 MPa），同时保持了良好的灵敏度（0.01-0.02 kPa-1）和线性（R2=0.98）。此外，压力传感器还具有出色的机电稳定性，并且对弯曲引起的变形不敏感。最后，研究人员证明了压力传感器可以应用在柔性钢琴垫中作为娱乐人机接口设备，并可以应用在柔性脚垫中作为可穿戴医疗保健和步态监测设备。

●本文报道了一种用于开发弯曲不敏感的电容式触摸传感器的设计方法。该传感器由基于银纳米线的可拉伸顶部电极层、微结构介电层和薄膜型底部电极层组成，其具有弯曲不敏感的特性和屏蔽效果以阻止寄生电容。使用数学建模和基于两个角度的弯曲测试，分析了在弯曲情况下影响传感器性能（即初始值和灵敏度）的顶部电极的可拉伸性（即根据弯曲程度进行拉伸或压缩）和微结构的间距。在两个弯曲方向（即向内和向外）上进行分析，并分析两个方向上的性能差异。制成的传感器能够测量宽范围的压力（最高700 kPa），灵敏度约为0.14 MPa-1。作为概念验证，该传感器可以成功应用于软机器人应用。