柔性可拉伸应变传感器：从导电材料到新兴应用

《Sensors and Actuators Reports》：Flexible and Stretchable Strain Sensors: From Conductive Materials to Emerging Applications

　　

摘要专业翻译 压阻式应变传感器（piezoresistive strain sensor）能够将机械刺激转换为可检测的电信号，已在结构健康与损伤评估、人体运动检测、个人医疗保健、人机界面以及人工电子皮肤和软体机器人系统等广泛领域成为实用且易获取的仪器。与传统的刚性金属传感器相比，柔性可拉伸架构具备检测微米级和宏观尺度应变的独特能力，而传统金属传感器受限于其脆性刚性结构，应变检测范围仅为百分之几。导电聚合物复合材料（conductive polymer composites，CPCs）由绝缘聚合物基体嵌入功能性导电填料构成，填料涵盖碳基纳米材料（如石墨烯、石墨、碳纤维（carbon fibers，CF）、碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）和炭黑（carbon black，CB））以及金属纳米结构（如纳米颗粒和纳米线）。此外，本征导电聚合物（intrinsically conductive polymers，ICPs），包括聚苯胺（polyaniline，PANI）、聚吡咯（polypyrrole，PPy）和PEDOT:PSS，也常被采用。这些复合材料的电导率主要由填料浓度决定，当达到称为“逾渗阈值”（percolation threshold）的临界值时，绝缘基体内形成连续的导电网络，触发从绝缘态到导电态的转变。除传统电子导电材料外，离子导电材料已成为柔性可拉伸应变传感器的一类重要传感材料，其中由电解质、盐或离子液体提供的可移动离子充当电荷载体，机械变形引起几何形状和离子传导路径的变化，从而产生可测量的电阻或阻抗变化。离子导电凝胶大致可分为水凝胶（hydrogel）和离子凝胶（ionogel）两类。本综述全面概述了可拉伸应变传感器的当前发展状况，重点聚焦其制备策略、组成材料、潜在传感机制和运行性能，系统评估了灵敏度、线性度、响应/恢复动力学、可拉伸性和长期耐久性等关键性能指标，并广泛讨论了从结构健康监测、人体运动追踪到人机界面和运动科学等多样化应用领域。该工作旨在整合现有知识，为克服当前技术局限提供战略性见解，并激发该领域的未来创新。

论文解读文章

一、研究背景与问题

柔性可拉伸应变传感器作为一类能够将机械形变转换为可检测电信号的功能器件，已在结构健康监测、人体运动检测、个人医疗保健、人机交互界面、人工电子皮肤以及软体机器人系统等多个领域展现出广阔的应用前景。与传统的刚性金属应变计相比，这类传感器具备检测微观和宏观尺度应变的独特能力。传统金属传感器受限于其脆性刚性结构，应变检测范围仅为百分之几；无机半导体传感器则面临灵敏度不足、使用寿命有限、环境稳定性差以及生物相容性不佳等突出问题。

随着可穿戴技术和智能健康监测需求的快速增长，对柔性应变传感器的性能提出了更高要求，包括优异的弹性、高度柔性、长期耐久性、低能耗和最佳生物相容性。然而，该领域仍面临一系列核心挑战：其一，高灵敏度与高拉伸性之间存在固有的权衡矛盾，这是高性能传感器工程中的持久难题；其二，实现完全集成的传感系统仍面临高精度检测、长期稳定性、可靠性和可重复性等方面的显著障碍；其三，传感器的产业化可行性取决于开发兼具可规模化、经济高效和用户友好的制备技术。

二、研究内容与核心发现

该综述系统梳理了柔性可拉伸应变传感器的研究现状，围绕传感机制、导电材料、关键性能指标和新兴应用四个维度展开全面分析。

在传感机制方面，论文深入剖析了四种核心换能机制：压阻效应（piezoresistive effect）描述了材料电阻随机械形变而变化的现象，其总电阻变化是几何尺寸变化与本征压阻效应的累积结果；接触几何与断开机制阐明，在机械拉伸过程中相邻纳米材料间的有效接触面积减小，导致系统电阻升高，而在高应变条件下导电通路断开成为主导行为；裂纹扩展机制揭示了脆性导电层中纳米级和微米级裂纹的可逆开合循环，裂纹的密度、长度、宽度、深度和总面积是决定器件传感范围和整体性能的主要因素；量子隧穿效应（quantum tunneling effect）则基于Simmons隧穿理论，描述了相邻导电填料间距增大导致隧穿势垒升高、从而引起电阻显著增大的物理过程。

在导电材料方面，论文对碳基纳米材料（石墨烯、石墨、碳纤维、碳纳米管、炭黑）、金属纳米结构（纳米颗粒、纳米线）以及本征导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯、PEDOT:PSS）进行了系统比较。此外，激光诱导石墨烯（laser-induced graphene，LIG）作为一种新兴的传感平台受到重点关注。离子导电材料（水凝胶和离子凝胶）也被纳入讨论，其中离子凝胶因引入离子液体而具有更低的挥发性和更好的环境稳定性。

在性能评估方面，论文对灵敏度、线性度、响应/恢复动力学、可拉伸性和长期耐久性等关键指标进行了批判性评估，指出灵敏度与拉伸性之间的权衡是当前面临的核心挑战。

三、关键技术方法

研究人员在综述中主要梳理了以下几类关键制备与表征技术：一是基于导电聚合物复合材料的溶液加工与共混技术，通过调控填料浓度实现逾渗网络构建；二是激光诱导石墨烯的激光直写制备技术，可实现图案化导电传感层的快速成型；三是裂纹工程策略，通过控制脆性导电层中的微裂纹取向与分布来提升灵敏度；四是基于Simmons隧穿理论的理论建模方法，用于定量描述隧穿型传感器的电阻-应变响应关系；五是扫描电子显微镜（SEM）等微观表征手段，用于观察应变前后导电网络的形貌演变。

四、研究结果

4.1 传感机制的系统解析

通过对比分析压阻效应、接触断开、裂纹扩展和量子隧穿四种机制，研究发现不同机制在不同应变区间的主导地位不同：低应变区以隧穿效应为主，高应变区以导电通路断开为主，而裂纹扩展机制则可在保持高拉伸性的同时实现超高灵敏度。理论建模表明，纳米材料本征压阻效应对总电阻变化的贡献通常可忽略，主要原因是填料与聚合物基体之间的弹性模量失配和界面结合较弱导致应力传递效率低下。

4.2 导电材料的比较评估

碳基纳米材料因其优异的导电性、机械柔性和化学稳定性而成为主流选择；金属纳米线（如银纳米线AgNWs）具有高纵横比和优异导电性，但存在成本较高和氧化稳定性问题；混合填料体系可协同发挥不同填料的优势。激光诱导石墨烯凭借其一步制备、无需掩模、可图案化等优势，成为极具前景的新兴平台。

4.3 性能指标的关键评估

灵敏度与拉伸性之间的权衡是当前的核心矛盾。裂纹工程策略被证明是同时实现高灵敏度和高拉伸性的有效途径。线性度和迟滞性能受填料类型、基体粘弹性和界面相互作用等多因素影响。

4.4 应用领域的广泛探讨

论文总结了传感器在结构健康监测、人体运动检测、人机交互、运动科学和医疗可穿戴等领域的应用，指出离子凝胶基应变传感器已在人体运动和关节形变监测中展现出良好能力。

五、讨论与结论

讨论部分指出，将柔性应变传感器转化为实用技术需要将其集成到高度互联的智能系统中，涵盖电源管理、信号采集、数据处理、分析工具、无线通信和可视化显示等人工智能驱动模块。然而，实现高精度检测、长期稳定性、可靠性和可重复性的完全集成传感系统仍面临重大障碍。该领域的推进需要材料科学、电子学、机械工程、化学工程和先进计量学等多学科的协同交叉研究。

研究结论强调，柔性可拉伸应变传感器已在从结构健康监测到人体运动追踪、人机界面和运动科学的广泛领域展现出巨大潜力。通过系统整合现有知识，该综述为克服当前技术瓶颈提供了战略性见解，并为该领域的未来创新指明了方向。