《Materials Today Communications》：Advances in Flexible Resistive Strain Sensors and Their Applications
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本文综述柔性电阻应变传感器的研究进展，系统分析其性能参数（灵敏度、检测范围、线性等），探讨导电材料、电极及基底材料的选择与优化，总结在健康监测、人机交互等领域的应用，并讨论商业化挑战与未来技术方向。
李胜斌|余雅萍|吴元昭|李远晨|唐敏|魏坤|尚杰|刘一伟|王浩宇|李润伟
中国宁波康复医院智能康复医学柔性可穿戴技术创新中心
摘要
材料科学和微/纳米技术的最新突破推动了柔性应变传感器的研发，使其成为现代可穿戴电子设备和健康监测系统中不可或缺的组件。这些传感器因其高变形性、优异的延展性、轻质特性以及出色的动态人体运动适应性而备受重视。本文主要探讨了电阻式应变传感器，全面分析了其关键性能参数，包括检测范围、灵敏度、响应和恢复时间、线性度、滞后现象、动态耐用性和生物相容性。此外，还探讨了电阻式传感器的多种传感机制，并阐明了导电材料、电极材料和基底材料的关键作用。文章还强调了柔性电阻式应变传感器在运动监测、健康诊断和人机交互等领域的应用前景。最后，指出了这些传感器商业化过程中面临的挑战，并提出了未来发展方向，以满足日常生活的实际需求。
引言
材料科学和微/纳米技术的最新进展将传统的刚性应变计转变为柔性应变传感器，能够将机械刺激转化为多种可测量的信号[1]、[2]、[3]。在实现这一目标的各种方法中，电阻式（或压阻式）应变传感器在可穿戴电子设备和智能健康监测中的应用最为广泛且研究最为深入[4]、[5]、[6]、[7]。它们的优势在于设计简单、信号读取方便、材料兼容性强且可扩展性强，使其成为下一代应用的理想选择。柔性电阻式应变传感器具有高变形性、轻质结构以及优异的机械顺应性等独特优势，能够无缝集成到柔软的动态表面（如人体皮肤）中，从而在运动追踪[8]、人机交互[9]、软体机器人[10]和结构健康监测[11]等领域发挥重要作用（见图1）。
要在实际应用中发挥作用，这些传感器不仅需要具备良好的延展性和灵敏度，还需要具备耐用性和生物相容性，以确保在复杂重复变形和不同环境下仍能保持可靠性能[12]、[13]。尽管取得了显著进展，但由于存在固有的权衡，将柔性电阻式应变传感器投入实际应用仍面临挑战。例如，同时实现高灵敏度和优异的延展性较为困难，或者优化线性度和长期稳定性也存在挑战[14]、[15]、[16]。这些持续存在的挑战表明我们需要不断探索新材料、创新结构设计和器件构造[17]、[18]。
本文深入探讨了柔性电阻式应变传感器，总结了在提升性能、材料选择和器件设计方面的最新进展。我们将详细分析定义传感器性能的关键参数，包括检测范围、灵敏度、线性度、响应/恢复时间、滞后现象、动态耐用性和生物相容性，并重点介绍导电材料和电极材料的新发展以及创新的结构设计方法。文章涵盖了运动监测、健康管理与人机交互等主要应用领域，以及实现商业成功的主要障碍。通过整合传感机制的进步、材料创新和应用导向的设计，本文旨在提供基于现有文献的当前相关视角，并展望未来研究方向，以推动下一代柔性电阻式应变传感器的发展。
检测范围
柔性应变传感器需要根据具体应用进行性能优化，尤其是在检测范围和应变分辨率方面。检测范围指的是传感器能够在不降低性能的情况下可靠检测和量化变形的操作应变窗口，这一范围受结构完整性和传感稳定性的影响。它与延展性不同，后者仅表示材料发生机械失效前的最大应变，通常超过实际可用范围。
传感机制
人体运动和生理活动会引起各种机械变形，包括拉伸、压缩、弯曲、扭转和剪切应变。每种应变类型都需要相应的传感机制来准确检测。拉伸应变发生在材料被拉伸时，通常通过材料电学性质（如电阻或电容）的变化来检测；压缩应变则由压缩引起，其检测方式类似。
导电材料和电极材料
柔性电阻式应变传感器主要由三个部分组成：柔性基底材料、导电敏感材料和电极材料。导电材料可根据类型分为碳基导电填料、金属导电填料、导电聚合物、MXene等。
基底材料
柔性电阻式应变传感器的性能不仅取决于导电材料，基底材料的选择同样关键。这些材料在变形和恢复过程中会导致传感器内部导电网络的破坏和重组，因此关键性能参数（如柔韧性、抗拉强度和耐用性）直接受基底材料物理和化学特性的影响。
应用
凭借优异的机械顺应性和与人体表面的良好贴合性，柔性电阻式应变传感器已成为连接生物世界和数字世界的关键技术。这些传感器在任何应用中的成功实施（从临床诊断到软体机器人）都依赖于精细的匹配过程：应用的具体需求必须与传感器的性能参数相匹配。
总结与展望
近年来，由于材料科学、微纳制造和器件工程的快速发展，柔性可穿戴应变传感器取得了显著进展。本文总结了在检测范围、灵敏度、线性度、响应和恢复时间、滞后现象、动态耐用性和生物相容性等性能参数优化方面的重大突破。多种材料系统（包括碳基纳米材料、金属材料等）在传感器发展中发挥了重要作用。
作者贡献声明
刘一伟：撰写、审稿与编辑、项目监督。
王浩宇：撰写、审稿与编辑、数据整理。
魏坤：方法论研究、实验设计。
尚杰：项目监督。
唐敏：项目监督、数据分析。
吴元昭：撰写、审稿与编辑、资源提供。
李远晨：撰写、初稿撰写、概念构思。
余雅萍：数据可视化、项目监督。
李润伟：撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了中国国家重点研发计划（2024YFB3814100、2023YFC3603500）、国家自然科学基金（62174165、U24A6001、52127803、U24A20228、U22A20248、U22A2075、52301256、52401257、M-0152）、中国科学院青年创新促进会（2018334）、中国科学院国际合作伙伴计划（181GJHZ2024138GC）、浙江省项目（2022R52004）以及宁波市自然科学基金（2022J288）的支持。
