隨著柔性電子時代的到來，軟多功能傳感器作為其核心組件，憑借高適應性、多功能集成和智能化潛力，成為近年來的研究熱點。本文綜述了軟多功能傳感器的關鍵特性、應用場景、材料創新及未來技術趨勢，旨在為領域發展提供系統性指導。
核心特性與應用場景
軟多功能傳感器以
柔性基底和
多功能集成為核心特征，能夠無縫貼合人體皮膚或復雜曲面，同時檢測多種外部刺激。其主要目標刺激包括
應變、壓力、振動、溫度、濕度及生化標志物，覆蓋從健康監測（如運動追蹤、汗液分析）到環境感知（如溫濕度檢測）的廣泛場景。例如，通過電阻或電容變化監測應變，可應用于結構健康評估或智能假肢控制；而壓力傳感在醫療診斷和機器人觸覺反饋中至關重要。
材料與結構創新
近年來，碳基材料（如石墨烯）、MXene、壓電聚合物（如PVDF）、離子材料及可生物降解材料的開發，顯著提升了傳感器的靈敏度、響應速度和環境適應性。水凝膠材料因其優異的生物相容性和可拉伸性，成為可穿戴設備的理想選擇。結構設計上，納米網格、仿生粘附微結構等創新方案解決了傳統傳感器剛性大、共形貼合性差的問題。
圖1：軟多功能傳感器的演變與未來方向
圖2：軟多功能傳感器的主要檢測目標與性能
a) 電阻式傳感器在施加應變時的相對電阻變化（ΔR/R?）。數據來源：[108] 美國化學學會，2021年（經許可轉載）。
b) 摩擦電式傳感器在施加壓力下的電壓輸出。數據來源：[112] Wiley-VCH出版社，2022年（經許可轉載）。
c) 電容式傳感器在振動環境中的電壓輸出波形及頻譜圖。數據來源： Springer Nature出版社，2019年（經許可轉載）。
d) 電阻式傳感器隨溫度變化的相對電阻響應（ΔR/R?）。數據來源： Wiley-VCH出版社，2021年（經許可轉載）。
e) 電容式傳感器對相對濕度（RH）變化的電容響應。數據來源： Wiley-VCH出版社，2019年（經許可轉載）。
f) 摩擦電式傳感器對Na?、K?和Ca²?離子的選擇性檢測能力。數據來源：[129] Wiley-VCH出版社，2022年（經許可轉載）。
注：該圖展示了軟多功能傳感器針對不同目標刺激（應變、壓力、振動、溫度、濕度、離子濃度）的檢測性能，涵蓋電阻式、電容式及摩擦電式傳感機制，引用文獻均標注原始數據來源與版權信息。
圖3：軟多功能傳感器的選擇標準
圖4：軟多功能傳感器的新興材料與結構
圖5：解耦多重刺激的傳感器設計策略
a) 基于電容器陣列的軟多功能傳感器結構示意圖。
b) 不同加載場景下傳感器的結構示意圖與電容輸出分布圖。數據來源：[230] 美國科學促進協會，2020年（經許可轉載）。
c) 由電紡CNF薄膜選擇性分傳感器構成的軟多功能傳感器示意圖。
d) 傳感器在壓力無關條件下的溫度響應及 e) 溫度無關條件下的壓力響應。數據來源： Wiley-VCH出版社，2022年（經許可轉載）。
f) 基于離子導體的軟多功能傳感器結構示意圖。
g) 應變不敏感的溫度響應及 h) 溫度不敏感的應變響應。數據來源： 美國科學促進協會，2020年（經許可轉載）。
i) 由極化微穹頂結構P(VDF-TrFE)薄膜組成的軟多功能傳感器示意圖。
j) 傳感器在1.96 kPa壓力下的摩擦電輸出峰值與20℃溫差下的熱釋電輸出峰值。
k) 傳感器在1.96 kPa壓力和20℃溫差作用下的多重輸出信號。數據來源：[112] Wiley-VCH出版社，2022年（經許可轉載）。
注：該圖展示了通過材料選擇（如離子導體、功能化薄膜）與結構設計（如分傳感器陣列、微穹頂圖案化）實現壓力、溫度、應變等多參數獨立檢測的策略，相關實驗數據引用自不同文獻。
圖6：軟多功能傳感器的性能優化與實際應用驗證
a) 基于復合離子凝膠的傳感器在寬溫度范圍（-20~60℃）下的電阻-應變響應曲線，展示溫度自補償特性。
b) 多層級微結構設計（仿生褶皺/多孔）對壓力靈敏度（0.1–100 kPa）與響應速度（<10 ms）的優化效果。
c) 傳感器在人體關節運動監測（腕部彎曲、手指抓握）中的實時信號輸出與噪聲抑制能力。
d) 多參數同步檢測示例：外界壓力（5 kPa）、溫度變化（ΔT=15℃）與表面濕度（60% RH）的解耦信號輸出。
數據來源：結合正文第4.2節“動態性能優化”及補充材料S3（實驗重復性驗證），數據統計基于n=5次獨立測試。
圖7：實現優異皮膚貼合性的策略設計
a) 章魚仿生粘附貼片的實物照片與掃描電鏡（SEM）圖像。
b) 貼片在帶毛發皮膚表面承載0.5 kg重量的演示。數據來源：[296] Wiley-VCH出版社，2018年（經許可轉載）。
c) 人體皮膚上直接繪制的“皮膚電子”繪制過程實物圖。數據來源：[303] Springer Nature出版社，2020年（經許可轉載）。
d) 基于水溶性基底的電子紋身傳感器示意圖與實物照片。
e) 傳感器在松弛與壓縮皮膚表面的放大照片。數據來源：[306] 美國化學學會，2017年（經許可轉載）。
f) 還原氧化石墨烯（rGO）涂層紡織紗線的實物照片與SEM圖像。
g) rGO涂層紗線編織物作為溫度傳感器的應用演示。數據來源：[311] 美國化學學會，2019年（經許可轉載）。
h) 導電納米網狀結構貼合人體皮膚的層壓工藝示意圖。
i) 附著于指尖的導電納米網狀結構實物照片與SEM圖像。數據來源：[315] Springer Nature出版社，2017年（經許可轉載）。
j) 附著于食指的納米網狀壓力傳感器實物照片。數據來源：[314] 美國科學促進協會，2020年（經許可轉載）。
k) 通過膠束簇間氫鍵作用形成的粘附性離子凝膠示意圖。
l) 粘附性離子凝膠與傳統離子凝膠皮膚貼合性的實物對比。數據來源：[318] Wiley-VCH出版社，2021年（經許可轉載）。
注：該圖展示了通過仿生粘附材料（如章魚吸盤結構）、柔性基底（水溶性電子紋身、納米網）、新型加工工藝（皮膚直接繪制、紗線編織）等手段提升傳感器與皮膚界面貼合性的多尺度策略，相關實驗數據引用自不同文獻。
圖8：柔性多功能傳感器的供能策略
a) 由機械能驅動的自供能多功能傳感器示意圖。
b) 傳感器在不同機械刺激下的自生電壓輸出。數據來源： Wiley-VCH出版社，2020年（經許可轉載）。
c) 由機械能與熱能聯合驅動的自供能多功能傳感器陣列示意圖。
d) 傳感器在溫度梯度下的熱電電壓輸出。數據來源： Wiley-VCH出版社，2020年（經許可轉載）。
e) 由太陽能驅動的柔性自供能集成傳感系統示意圖。
f) 集成系統在脈搏信號與手指運動下的輸出電流測量結果。數據來源：[335] Elsevier出版社，2019年（經許可轉載）。
g) 集成柔性鋅-空氣電池的腕帶式傳感系統。
h) 電池充電后不同時間點傳感器測量的脈搏波信號。數據來源：[341] Elsevier出版社，2022年（經許可轉載）。
i) 由四個集成汗液激活電池供能的柔性多功能微電子器件實物照片。
j) 佩戴該微電子器件者在徒步過程中通過汗液電池供能測量的脈搏頻率與皮膚溫度。數據來源：Elsevier出版社，2022年（經許可轉載）。
k) 由柔性超級電容器供能的柔性多功能傳感器系統示意圖。
l) 超級電容器驅動下壓力子傳感器的輸出性能。數據來源：[350] Elsevier出版社，2018年（經許可轉載）。
注：該圖總結了柔性傳感器領域通過機械能采集（壓電/摩擦電）、環境能源利用（太陽能、熱能、汗液化學能）及柔性儲能器件（鋅-空氣電池、超級電容器）實現自供能的多樣化策略，展示了從單一供能到多源協同的集成化設計進展。
圖9：軟多功能傳感器面臨的核心挑戰
1、材料開發與制造挑戰
3D打印材料需兼顧導電性、機械柔韌性和環境穩定性，但制造過程易受工藝參數影響1。刺激響應水凝膠在長期動態載荷下易發生結構退化，導致性能衰減3。
2、多物理場耦合與信號解耦挑戰
集成壓力、溫度、化學等多模態感知需解決信號串擾，現有解耦算法難以兼顧實時性與精度2。水凝膠系統在同時響應物理和化學刺激時，信號耦合效應顯著增強3。
3、傳感器性能優化瓶頸
柔性應變傳感器存在電阻信號與機械形變的非線性滯后，限制高精度測量場景應用4。
4、深層組織信號感知難題
現有柔性設備主要采集表皮信號，對肌肉活動、內臟壓力等深層生物力學參數的檢測缺乏有效手段5。
5、標準化與規模化生產壁壘
缺乏統一的性能評估標準，不同研究團隊的數據可比性低2。3D打印等新型工藝在大規模生產時面臨良率與成本控制問題1。
未來研究將聚焦四大方向：
00001.
多刺激解耦：通過多傳感機制集成或子傳感器陣列設計，實現多種刺激的獨立檢測，避免信號干擾。
00002.
智能數據處理：結合機器學習（ML）與神經形態計算（NC），高效處理海量傳感數據，推動實時分析與邊緣計算。
00003.
皮膚適應性優化：開發超薄柔性基底（如智能紋身、納米網）和仿生粘附技術，提升穿戴舒適性與長期穩定性。
00004.
可持續能源供給：探索自供電方案（如摩擦發電、光能收集）以替代傳統電池，增強設備便攜性與環境友好性。
未來展望
盡管軟多功能傳感器在物聯網、醫療健康和智能機器人等領域展現出巨大潛力，仍面臨多模態信號耦合干擾、長期耐久性不足及大規模制造工藝瓶頸等挑戰。未來需通過跨學科合作，融合材料科學、人工智能和微納加工技術，推動傳感器向更高集成度、更低功耗和更廣泛場景應用發展。突破這些技術壁壘將加速柔性電子與人類生活的深度融合，為數字化社會提供更智能、更自然的交互方式。
轉自《石墨烯研究》公眾號
