综述：柔性发光弹性体传感器：工作机制、材料、器件集成及可穿戴应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Flexible light-emitting elastomeric sensors: Mechanisms, materials, device integration, and wearable applications

　　•对柔性发光弹性体传感器进行了全面综述。•系统探讨了与配位相关的发光机制。•比较了稀土荧光粉、无机发光剂和有机发光物质。•重点分析了陷阱状态、聚合物限制效应以及界面耦合现象。•概述了实现可靠、可扩展且定量传感的未来发展方向。

引言
柔性发光弹性体传感器属于一类新兴的软功能复合材料，这类材料将各种发光单元——包括无机荧光粉[1]、[2]、[3]、稀土发光剂[4]、[5]、[6]、有机染料[7]、[8]、[9]、共轭聚合物[10]、[11]、[12]、量子点[13]、[14]、[15]以及钙钛矿纳米晶体[16]、[17]、[18]——整合到高弹性聚合物基体中。与刚性发光涂层、脆性的荧光粉颗粒或传统的平面发光器件相比，发光弹性体设计为能够在承受拉伸、弯曲、扭转、压缩以及与不规则表面贴合的同时，保持较高的发光强度、色态稳定性以及空间均匀性[19]、[20]。这种机械性能与光学特性的完美结合，使得柔性发光材料平台在可穿戴电子设备[21]、[22]、[23]、软体机器人系统[24]、[25]、[26]以及可变形人机界面[27]、[28]、[29]等领域具有极大的应用潜力。除了用于视觉照明之外，弹性体基体中的发光现象也越来越被用作信息传递的手段。光学信号能够编码机械变形、生理运动、环境变化以及界面损伤等信息，而这些信号可以通过相机、光电二极管、光纤或成像阵列来采集。与纯粹的电气读取方式相比，光学反馈具备即时可视化的优势，能够实现全场空间映射、远程信号采集，还能降低布线复杂度，并提高抗电磁干扰的能力。正因如此，发光弹性体的应用范畴已从可拉伸的发光材料拓展到了具备软体光学反馈功能的传感系统，这促使人们开始系统地研究发光机制、材料设计原则、器件结构以及面向应用的信号解码方法。根据其机械特性和功能作用，柔性发光器件、可拉伸发光弹性体以及发光弹性体传感器有着不同的分类[30]、[31]、[32]。广义上的柔性发光器件指的是那些在弯曲、折叠或形变状态下仍能正常工作的光电器件。而可拉伸发光弹性体则是基于弹性聚合物网络制成的发光材料或复合材料，它们能够在承受较大拉伸变形的情况下依然保持或调节发光性能。发光弹性体传感器则属于更为具体的类别，这类传感器能够将机械、电学、光学、热学或环境方面的刺激转化为可重复且易于解读的发光强度、颜色、寿命或空间分布的变化，从而实现定性可视化或定量测量[33]、[34]、[35]。因此，本综述的主要内容聚焦于那些发光现象直接参与刺激转换、信号编码或反馈功能的弹性体系统。

当发光弹性体传感器被集成到可变形且具有交互功能的表面上时，光学反馈传感的优势就愈发凸显。如图1所示，发光弹性体光学皮肤可以紧密贴合在软体机器人夹持器、可穿戴界面或防护装备上，将局部接触、变形以及损伤情况转化为具有空间分辨率的光学信号。微弱的发光可能对应着轻微的接触或较小的变形，而亮度增强、颜色变化或局部闪烁则可能表明存在较大的压力、过度的应力、即将发生的滑动或潜在的损伤。与依赖布线、采集电路及后续处理的传统电气传感器相比，发光反馈可以直接显示出材料表面机械刺激的位置与分布情况。这些光学图案可以被人类肉眼观察到，同时也可以通过相机记录下来以便进行机器视觉分析，其中发光区域、亮度梯度、颜色变化以及图案位移等参数都可以作为判断接触位置、压力分布、变形状态以及动态不稳定性的依据。在这种背景下，发光弹性体起到了视觉触觉反馈接口的作用，它能够将机械和界面状态转化为人类可见、相机可读以及算法可解析的光学信息。

过去二十年来，发光弹性体的发展大致可以分为四个阶段：刚性载体结合阶段、可拉伸发光薄膜阶段、多功能器件集成阶段，以及具备数据处理能力的智能软体系统阶段（见图2）。在21世纪初，包括基于ZnS的发光剂以及SrAl2O4:Eu2+这类持续余辉材料在内的传统荧光粉，主要被分散在刚性树脂、塑料或玻璃基体中[36]、[37]。这类系统得益于成熟的粉末加工技术，具有较高的亮度以及较长的余辉时间；然而，它们脆性的机械性能以及与柔软或类皮肤基体的模量不匹配问题，严重限制了其在可拉伸及可穿戴设备中的应用。在2010年到2015年期间，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚氨酯等弹性体基体逐渐被用作发光填充物的可变形载体[38]、[39]。这一转变使得能够承受较大拉伸应变的可拉伸发光薄膜得以出现，人们还可以通过发光强度、颜色或空间光分布的变化来观察变形情况。在这一时期，早期的可拉伸电致发光薄膜实验表明，只要合理设计发光剂的分布方式、介电性能、电极结构以及界面力学特性，那么在材料被拉伸的情况下仍然可以维持电致发光现象[40]。从2015年到2020年，研究重点从单一功能的发光现象转向了集成的软体光电器件功能[41]。发光功能与传感单元、自供电架构、生物界面以及可编程反馈模块相结合，从而诞生了能够在统一平台上感知机械相互作用并输出光学反馈的软体器件原型[42]。其中的代表性进展包括自供电发光电子皮肤以及具有良好机械强度且可粘贴在皮肤上的发光贴片[43]。在可变形发光层、柔性电极、可拉伸互连结构、界面力学以及像素化集成等方面的进步，为未来的光反馈传感技术奠定了必要的材料和器件基础。因此，图2展示了从柔性发光和可拉伸显示器向弹性体系统的更广泛的技术发展历程，在这类系统中，发光现象作为一种传感输出，承担着信息传递的功能。

自2020年起，发光弹性体进入了智能软体系统的发展阶段，这一阶段的特征是多模态感知、大面积像素化发光阵列、可编程光学图案以及通过对发光信号的计算机分析。深度学习算法和基于图像的分析技术如今能够让人们解读出比单纯视觉观察更为复杂的光学特征，从而使发光弹性体向定量化和智能化的传感接口方向发展[44]、[45]。各种应用需求推动了人们对发光弹性体传感器的重新关注。可穿戴电子设备以及智能医疗技术正在从间歇性测量向连续、长期以及日常监测的方向发展，这就对产品的用户舒适度、机械可靠性、与皮肤的适配性以及在实际使用条件下的信号可读性提出了更高的要求。增强现实界面和视觉反馈系统需要直观且对比度高的输出结果，而软体机器人以及人机交互系统则要求在不会引入导致应力集中或界面剥离的刚性组件的前提下，在柔顺的机体内部嵌入分布式传感元件。在可穿戴设备、机器人系统以及人机交互场景中，尽管纯电气传感器具有较高的灵敏度且电路兼容性较好，但仍然面临着诸如布线密集、依赖电极接触、易受电磁干扰影响，以及在没有复杂电路集成支持的条件下难以实现全场映射等诸多实际限制。光学读取方式为克服布线难题、解决接触依赖问题、抵御电磁干扰以及弥补空间映射方面的不足提供了一种有效的替代方案。发光反馈功能可以实现直接可视化、大范围的空间分辨率映射，还能够通过相机或光电探测器实现非接触式数据采集，这不仅便于远程监控，还能提升体内佩戴设备以及人机协作应用中的电气安全性能。此外，光学信号还可以与基于图像的分析技术、机器视觉以及边缘计算相自然结合，而随着高分辨率成像硬件以及嵌入式处理技术的不断进步，这些技术也变得越来越容易实现。

然而，要将发光弹性体的概念优势转化为可靠的传感性能依然面临诸多挑战。发光弹性体传感器必须同时具备较高的发光效率、良好的机械变形能力、强的界面稳定性以及稳定的信号输出特性。较大的变形可能会扰乱发光剂的分布状态、渗透网络、局部介电环境、陷阱状态的数量以及电场分布，而循环加载则可能导致疲劳、微裂纹产生、粒子脱落、电极断裂或界面剥离。由变形引发的结构变化可能会导致发光强度下降、基准值偏移、色态不稳定，进而影响传感的精确度。此外，用于传感应用的光学信号还必须保持定量性、重复性，并且要能够抵抗环境光照、温度波动、湿度变化、应变率依赖性、材料的使用历史以及成像几何结构等因素带来的干扰。这些性能挑战凸显出开展基于机理的材料设计、确保基体与发光剂的相容性、优化界面设计、在器件层面控制应变以及借助算法进行校准的必要性。不同的应用场景还会对设计重点提出不同的要求。医用贴片需要具备生物相容性、透气性、良好的粘附稳定性以及低电压安全性能；光学电子皮肤则需要较高的空间分辨率、尽可能少的像素串扰以及可靠的阵列寻址功能；用于机器人监测和结构监测的系统则要求具备宽的动态范围、快速的响应速度以及长期的稳定性；而交互式显示系统则对色态稳定性、可编程的图案生成能力以及低功耗有较高要求。因此，仅仅优化亮度是远远不够的。光学转换功能必须与材料的机械性能、器件几何结构、读取格式以及数据处理策略共同设计，尤其是当需要通过机器学习框架而非人类直接观察来解读发光图案时，这一点尤为重要。

此前的相关综述已经为这一领域的各个分支提供了宝贵的见解，比如用于应力监测的机械发光荧光粉[62]、[63]、发光液晶弹性体[64]、[65]、柔性交流电致发光器件[66]、[67]，以及可拉伸显示技术[68]、[69]。然而，关于发光中心?配位环境与能级结构之间的跨尺度关系、弹性体与发光剂之间的相互作用、与变形相关的光学过程、器件集成方式以及定量传感性能之间的关系，目前仍缺乏系统的梳理。本综述通过将微观的发光过程与宏观的机械适应性、光学信号的真实度以及不同应用场景下的传感指标相互关联，将研究重点从那些仅在变形条件下仍能保持发光功能的材料，转向那些能够感知、编码并传递外部刺激的软体光学系统。

基于这一跨尺度分析框架，本文的内容围绕发光机制、材料分类、器件集成策略以及典型的传感应用这几个方面展开。首先，本文讨论了光致发光、机械发光以及电致发光这三种发光现象的物理基础及其在变形条件下的特性变化，重点分析了激子动力学、界面电荷产生机制、陷阱状态的控制方法、电场重分布现象以及机械变形条件下的光学调制规律。其次，本文对各类代表性的材料体系进行了分析，包括稀土掺杂发光颗粒、硫化物荧光粉、氧化物辅助型界面材料、有机发光聚合物、室温磷光弹性体以及混合复合材料，从能级结构、聚合物限制效应、界面稳定性以及机械适应性等角度对这些材料进行了评估。第三，本文回顾了在可穿戴视觉显示器、光学电子皮肤、生理监测、软体机器人传感、人机交互系统以及应力/损伤/环境场可视化等领域中，从器件层面以及面向应用角度所取得的进展。最后，本文探讨了与机械耐用性、光学信号真实性、环境干扰、低电压工作模式、可规模化制造以及多物理场定量解耦等相关的重要挑战。总体而言，通过上述分析，本文为开发具有大面积集成能力、自供电功能、长期稳定性以及强大计算处理能力的下一代发光弹性体传感器提供了实用的指导。

章节节选
发光机制与基于机制的工程设计
发光弹性体研究的核心问题在于，如何在不同变形条件下调控、重构以及整合发光过程。在传统的刚性发光系统中，其光学行为主要由晶体结构、能级配置以及缺陷状态分布决定[70]、[71]、[72]。这类系统的几何形态通常保持不变，载流子传输路径以及局部电场分布也相对固定。而发光弹性体则有所不同……

发光弹性体材料与结构-功能工程
配位化学为理解在可变形材料系统中如何调控以金属为中心的电子态以及发光现象提供了理论基础。对于发光弹性体材料而言，核心的设计挑战在于如何在软材料系统中实现发光中心、聚合物网络、界面结构以及器件结构之间的协调匹配，从而在保证高发光强度的同时，兼具良好的机械柔韧性、光学稳定性……

传感应用
发光弹性体的应用价值远不止于简单的发光功能。它们能够将各种物理刺激转化为肉眼可识别的光学信号，从而实现机械变形、电学激励、光学调制、温度变化以及声学振动等现象的直接可视化[190]、[191]。根据输入的物理场类型，传感应用可以分为五种不同的刺激类型：机械刺激、电学刺激、光学刺激、热学刺激以及……

制造策略与生产可扩展性
发光弹性体通常由发光相、弹性体基体、电极、介电层以及封装层组成。其制造工艺决定了各个组件在空间上的分布情况、层与层之间的粘附强度以及几何精度，进而影响发光强度、光学均匀性、应力传递效果以及器件的循环使用可靠性。薄膜成型、图案制作、纤维加工、层间组装以及固化条件都可能改变材料内部的……

结论与展望
本文建立了一个跨尺度分析框架，将柔性发光弹性体传感器中的发光机制、材料化学性质、界面结构、器件架构、传感功能以及制造策略联系在一起。在光致发光、机械发光以及电致发光这三种发光体系中，变形不再仅仅是一种简单的机械约束，而是一种起主动调控作用的因素。机械变形能够改变激发态粒子的数量分布、电荷分布情况、陷阱状态的占据程度、局部电场强度……

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢
衷心感谢中国国家自然科学基金（NSFC U22A20347）、海南省自然科学基金（826QN0690）、黑龙江省青年英才支持计划（2024QNTJ001）、黑龙江省博士后科学基金（LBH-TD2024E002）以及中央高校基本科研业务费所提供的资金支持。

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