背景介紹

仿生功能電子技術是朝著開發與現實世界環境無縫集成的智能技術邁出的重要一步。受人類皮膚感官功能的啟發，模仿人類皮膚特征的柔性傳感器在商業開發和研究領域都引起了廣泛關注，電子皮膚（e-skin）的概念就是一個例子。這種興趣源于它們在觸摸傳感技術、人工智能系統、個人健康監測和人機界面等領域的潛在應用。為了模擬人類皮膚的獨特特性，柔性傳感器必須附著在動態和不規則的表面上，同時能夠承受壓力、摩擦和彎曲等多重、重復和長期的機械刺激。此外，作為一種多功能耐用的傳感器，必須具有高靈敏度、高線性和快速響應時間。

到目前為止，已經成功開發了基于不同傳感機制的各種類型的柔性物理傳感器。作為電子皮膚，這些傳感器需要產生易于檢測的電信號來測量和量化人類活動。主要的傳感機制包括壓電效應、電容和壓阻效應。這些傳感器的獨特特征來自于使用不同的復合材料和設備架構。例如，在壓阻傳感器的情況下，傳感能力由傳感結構提供，傳感結構通常由活性材料組成，如碳納米管、石墨烯、金屬納米粒子、金屬納米線和混合納米材料。當感測結構受到應力時，其中的導電材料可以很容易地相對于彼此滑動，即使在較大的應變范圍內也能保持導電路徑的良好靈活性和完整性。因此，這種應變傳感器的可拉伸性在很大程度上取決于滑動機制；然而，由于它們對裂紋擴展機制的強烈依賴，它們通常具有低靈敏度，導致固有的局限性。在壓力傳感器設計方面，一種主要的信號傳導方法是電容式的。電容式壓力傳感器已成功與紡織品集成，并設計成可彎曲的腕帶，用于指尖壓力測繪。柔性膜室與用作電容器的平行金屬板和用作平面電感器的周圍金屬線相結合，形成諧振電路，已被用于創建用于壓力監測的電感電容壓力傳感器[20]。然而，這些各種柔性傳感器的制造過程通常復雜、昂貴、耗時，并且需要大規模集成納米材料，這限制了工業大規模生產。此外，這些傳感器大多不適合高能耗場景，很少考慮電子皮膚柔性傳感器所必需的靈活性。因此，理想情況下，這種靈活的傳感器應該具有無線能力，并且獨立于外部電源，這將大大提高其應用靈活性。更重要的是，現有的柔性可穿戴傳感器只能檢測正壓，但無法復制人體皮膚感知表面摩擦力的能力，嚴重限制了功能性e-skin型傳感器的應用范圍和深度。此外，由于大多數報道的傳感器都是扁平或笨重的，因此在活動監測或機器人傳感應用中，它們通常需要粘合劑和其他復雜的基材才能附著在人體皮膚或衣服上。這極大地阻礙了它們在可穿戴電子產品中的使用。因此，需要作出更多努力來解決這些問題。

TENG是一種新興的能量收集和自供電傳感技術，利用接觸帶電和靜電感應的耦合效應，將無處不在的機械能轉化為電能。其輸出不僅用作電源，還用作自供電傳感器的信號源。TENG技術因其高效、便攜、低成本、環保和廣泛的可用性而備受青睞，因此在微能量收集和多模態自供電傳感領域具有廣闊的應用前景。

本文亮點

1. 本工作開發了一種丙烯酸酯（AA）-聚谷氨酸（PGA）水凝膠材料，其機械性能與皮膚相似。通過將摩擦電納米發電機（TENG）集成到AA-PGA水凝膠基質中，構建了一種雙模柔性傳感器，能夠利用生物力學能量進行多向力傳感。

2. 該傳感器具有高靈敏度、高線性度、快速響應和出色的穩定性。提出了一種機器人手部電子皮膚監測和分析系統的原型，以展示AA-PGA水凝膠傳感器的性能。

3. 作為一種自驅動傳感器，AA-PGA水凝膠傳感器可以實時監測生理信號，如手腕脈搏檢測和語音識別。

4. 它還在一系列個性化監測場景中不斷展示，包括手寫、步數和呼吸監測，進一步證實了其出色的傳感能力。

圖文解析

圖1. 紫外光固化AA-PGA復合水凝膠的制備工藝。基于AA-PGA水凝膠的柔性電子設備三維力檢測設計策略和應用場景。

圖2. AA-PGA水凝膠的表征。（a） AA-PGA水凝膠表面形態的SEM圖像。（b） AA-PGA水凝膠的放大圖像。（c） PGA和AA-PGA水凝膠的XRD曲線和（d）FTIR光譜。（e） AA-PGA水凝膠的拉伸和（f）壓縮應力-應變曲線。（g） AA-PGA水凝膠粘附在不同基質上的剪切強度測試結果。（h） AA-PGA水凝膠的波長依賴性透射光譜。（i） 顯示AA-PGA水凝膠透明度的照片。將水凝膠放在校園卡上并沒有掩蓋標志。

圖3. AA-PGA水凝膠傳感器的機電性能。響應于（a）不同力水平（0.02-0.5 N）的循環壓縮試驗和（b和c）不同力級別（0.02-0.2 N）的周期滑動試驗的實時電位變化。（d） 當電壓信號相似時，實時電容器信號會響應以區分按壓和滑動兩種模式。（e） AA-PGA水凝膠傳感器的擬合指數與連續施加力的關系。（f） 阿什比式圖比較了AA-PGA水凝膠傳感器的響應時間和尺寸與文獻中報道的其他水凝膠力傳感器的響應速度和尺寸。

圖4. 智能AA-PGA水凝膠傳感器在機器人電子皮膚中的應用。（a） 機器人手指能夠感知不同方向的壓力和摩擦力。（b） 能夠檢測周圍環境中的雨滴。（c） AA-PGA水凝膠傳感器的循環穩定性超過1000次循環。（d） 實時監測四個方向收集的電壓信號。（e） ANN模型的示意圖和（f）方向識別結果的混淆矩陣。

圖5. 檢測人體微小運動。對喉嚨運動的潛在變化反應，包括（a）“Ni”和“NiHao”，以及（b）輕微咳嗽、大聲咳嗽和吞咽。（c） AA-PGA水凝膠傳感器在不同角度下對手指的電位變化做出反應。（d）書寫、（e）吹臉頰和（f）脈搏的潛在變化。（g） 不同頻率呼吸時的實時電位變化。（h） 緩慢行走、行走和跑步時的電位信號曲線。

來源：柔性傳感及器件

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