综述：超薄柔软可穿戴传感器材料与结构：当前趋势与前景综述

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Ultrathin Soft Wearable Sensor Materials and Structures: A Review of Current Trends and Prospectives

高分辨率图像 下载MS PowerPoint Slide 中文摘要：本文系统综述了超薄可穿戴传感器在健康监测中的应用，重点分析了其如何通过模仿人类皮肤的机械和电化学特性实现高贴合度与稳定信号采集。研究涉及超薄材料（如石墨烯、GaN薄膜）、多孔/纤维网络结构、智能粘合剂设计，以及能量收集与多模态传感技术。论文还探讨了传感器在心电、肌电、脑电等生理信号监测中的实际挑战与未来方向，强调材料-结构协同优化和全系统集成的必要性。

　　近年来，超薄可穿戴传感器在健康和性能监测领域取得了显著进展，为下一代生物医学应用提供了全新的平台。这些传感器通过与人体皮肤的紧密贴合，能够实时感知生理和生化信号，其性能依赖于皮肤-传感器界面的电物理和电化学响应。与传统刚性金属电子器件相比，超薄、超柔软的传感材料可以无缝贴合皮肤的复杂表面纹理，并在动态变形过程中保持稳定的信号采集。这种高度的柔韧性和适应性，使得超薄可穿戴设备能够实现长时间、无创、无干扰的健康监测，适用于多种生物医学场景，如心血管、神经、肌肉和呼吸系统的监测。

超薄可穿戴传感器的核心优势在于其能够实现与皮肤的高度贴合，从而减少界面阻抗，提高信号传输的稳定性。传统厚传感器往往与皮肤形成不完全或松散接触，导致信号失真、运动伪影等问题。而超薄传感器通过其纳米或微米级别的厚度，能够紧密贴合皮肤的微地形，包括皮肤表面的纹路、毛孔和毛发，从而实现更精确的信号采集。此外，这些传感器还具备良好的透气性和生物相容性，可以适应皮肤的自然呼吸过程，并减少长时间佩戴带来的皮肤刺激或炎症风险。

在实际应用中，超薄可穿戴传感器展现出广泛的潜力。例如，它们可以贴合在人体的多个部位，如手部、脚部、面部、手臂和躯干，用于监测关节运动、步态分析、语音振动等。这些设备能够记录心电图（ECG）、肌电图（EMG）、脑电图（EEG）以及光电容积描记（PPG）等生理信号，同时还能用于能量收集，如通过压电或摩擦电效应将人体运动转化为电能。这种自供电设计减少了对外部电源的依赖，提高了设备的便携性和可持续性。

为了实现与皮肤的兼容性，超薄传感器的材料和结构设计必须充分考虑皮肤的机械、电学和光学特性。例如，皮肤的机械性能表现出显著的柔韧性和可拉伸性，这要求传感器材料的弹性模量应与皮肤相近，通常在10 kPa至1 MPa范围内。此外，皮肤具有一定的导电性，但其电导率随频率变化而波动，因此传感器的电学特性需要与皮肤的生物电特性相匹配，以减少信号衰减和噪声干扰。同时，皮肤的光学特性决定了其对光的吸收和散射行为，这在设计光电传感器时需要特别关注，以确保信号的准确性和稳定性。

在材料选择上，研究人员探索了多种具有生物相容性、高柔韧性以及优异导电性的材料。例如，石墨烯因其高导电性和机械灵活性，成为柔性传感器的理想材料。然而，石墨烯薄膜在软基底上的转移仍然面临技术挑战。为了解决这一问题，研究者采用自组装和等离子体诱导的褶皱技术，将石墨烯薄膜转移到超薄聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上，从而实现可拉伸的柔性电子设备。此外，一些研究利用了混合纳米复合材料，如将导电聚合物（如PEDOT:PSS）与石墨烯结合，以提高电导率和机械性能，同时保持超薄结构。

除了材料设计，超薄传感器的结构优化也是提升性能的关键因素。例如，通过引入蛇形结构、分形图案或网格设计，可以显著提高传感器的可拉伸性和机械适应性。这些结构不仅能够减少机械应力，还能增强信号的稳定性，特别是在剧烈运动或潮湿环境下。此外，一些传感器采用了多孔结构或纤维网络，以提高透气性并减少皮肤的湿气积聚，从而改善长期佩戴的舒适度和生物相容性。

在功能实现方面，超薄可穿戴传感器可以集成多种传感机制，包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式和压离子式传感。这些机制能够实现对不同类型的机械刺激（如压力、剪切力、温度变化）的高灵敏度检测。例如，基于压电效应的传感器可以将人体运动转化为电信号，而摩擦电传感器则能够利用皮肤表面的摩擦效应实现自供电的信号采集。此外，一些传感器还结合了光子晶体结构，使其能够通过光学特性变化来感知外部刺激，如通过颜色变化来反映压力或温度变化。

生物相容性是超薄可穿戴传感器设计中不可忽视的重要因素。长期佩戴的传感器必须能够适应皮肤的动态变化，并避免对皮肤造成损伤或刺激。为此，研究者开发了多种智能粘合剂，如光响应型、热响应型和水响应型粘合剂，这些粘合剂能够在外部刺激下实现可逆的粘附，从而在不破坏皮肤的前提下实现传感器的粘贴和移除。此外，一些研究还探索了生物可降解材料的应用，如将纳米金属和聚合物结合，以实现可穿戴设备的环保性和安全性。

在实际应用中，超薄可穿戴传感器已经展现出巨大的潜力。例如，在医疗领域，它们可以用于心电图、肌电图、脑电图和眼动监测，为疾病诊断和治疗提供实时数据支持。在运动科学中，这些传感器可以用于监测运动员的生理状态，如心率、肌肉活动和运动表现。此外，它们还被用于智能纺织品和智能服装，如能够监测体温和湿度的衣物，以及能够进行远程康复的智能绷带。这些应用不仅提高了设备的实用性，还拓展了可穿戴技术的边界，使其能够适应更复杂的环境和需求。

然而，尽管超薄可穿戴传感器在多个领域展现出显著的优势，但其发展仍然面临诸多挑战。例如，如何实现传感器在复杂生物表面的稳定粘附，如何提高其在长时间使用中的耐用性，以及如何在大规模生产中保持一致的性能和质量。此外，传感器的信号处理和数据分析也需要进一步优化，以减少噪声干扰并提高信号的准确性和可靠性。这些挑战的解决将需要跨学科的合作，包括材料科学、生物医学工程、柔性电子学和人工智能等领域的协同创新。

未来，超薄可穿戴传感器的发展方向可能包括以下几个方面：一是进一步提升材料的柔韧性和导电性，以实现更广泛的生物相容性和更精确的信号采集；二是开发更加智能的粘合技术，使传感器能够在不同环境下保持稳定的粘附性能；三是探索多功能集成的传感器平台，以同时监测多种生理信号并减少信号间的干扰；四是推动大规模生产技术的发展，使超薄可穿戴设备能够更广泛地应用于日常生活和医疗场景。此外，随着人工智能和物联网技术的不断发展，这些传感器还可能与智能算法和远程数据传输系统相结合，实现更加智能化和自动化的健康监测。

综上所述，超薄可穿戴传感器的材料和结构设计在推动健康监测和生物电子技术的发展中起到了关键作用。通过模仿皮肤的机械、电学和光学特性，这些传感器能够实现与皮肤的高度贴合，从而提高信号的准确性和稳定性。未来，随着材料科学和工程技术的不断进步，超薄可穿戴传感器有望在更多领域得到应用，如医疗、运动、智能服装和远程监控等，为人类健康和生活质量带来深远的影响。