可穿戴柔性触觉传感器的研究进展

潘晓君，鲍容容，潘曹峰

（1.广西大学化学化工学院,南宁 530004；2.广西大学物理科学与技术学院纳米能源研究中心,南宁 530004；3.中国科学院北京纳米能源与系统研究所,北京 100083；4.中国科学院大学纳米科学与技术学院,北京 100049）

人类每天都通过皮肤的触觉与世界进行互动，皮肤作为人体最大的器官，可感知压力、应变、温度和湿度等信息.类似于人体皮肤的这些功能，触觉传感器通过多种传感器的集成，可以给触觉受损的人们提供物体的触觉反馈，帮助人们感知到材料物性、运动与相对位置及环境温度与湿度等信息，有助于智能装备行为的控制，在物联网和大数据等领域有广泛的应用［1］.触觉传感器通常由压力传感器及应变传感器为主组成.为了确保与非平整、粗糙和动态的皮肤表面的牢固贴合接触而又不妨碍日常活动，柔性触觉传感器应具有低模量、高拉伸性及良好的耐磨性，此外柔性触觉传感器还应具有高灵敏度、轻便、低成本和低功耗的特点.为了实现这些功能，具有更大的表面积和出色的材料特性以及与低成本制造工艺兼容的纳米材料被广泛用于开发柔性触觉传感器.

近年来，人们对于柔性触觉传感器的研究已经不仅仅局限于提高灵敏度或者稳定性，更多的关注点在于柔性触觉传感器应用时遇到的问题.例如，柔性触觉传感器在使用过程中会出现磨损和断裂状况，对此采用能够自我修复的材料可显著延长柔性触觉传感器的使用寿命［2，3］.同时，自驱动传感技术的发展为解决能源供给问题提供了新的方法和思路［4，5］.此外，基于柔性/可拉伸衬底的多功能电子皮肤也被开发出来，可模拟皮肤对温度［6～8］、湿度［9］、硬度［10］和剪切力等的响应；甚至将柔性触觉传感器与检测人体健康指标（心脏速率［11，12］、血糖［13］、肌电［14，15］等）的传感器相结合，得到柔性的可穿戴系统；以及通过简单的触摸屏完成人类与用户之间的信息交互，或者将触觉传感器与智能机器人相结合，使智能机器人可以获取周围环境信息，更好地完成各项服务工作［16］.

本综述旨在系统地介绍有关柔性触觉传感器的研究成果.在第一部分将介绍柔性触觉传感器电阻、电容、压电和摩擦电的工作机理以及柔性触觉传感器的灵敏层、电极和可拉伸衬底的结构与性能研究；第二部分讨论具有自愈合、自驱动以及可视化等功能的新型触觉传感器，这些新型传感器的出现和研究为实现柔性触觉传感应用提供了可能；第三部分介绍了柔性触觉传感器在可穿戴电子技术、医疗保健以及人机交互界面等方面的应用；最后，展望了柔性触觉传感器将面临的挑战以及未来的发展方向与前景.

1 柔性触觉传感器的工作原理及结构

1.1 工作原理

触觉传感器，以压力传感器和形变传感器为主，是将外界刺激引起的形变转变为电信号进行测量和表征.触觉传感器常见的传导机制有电阻［17］、电容［18］、压电性［19］和摩擦电等.

电阻触觉传感器是通过测量电阻的变化来表征外界刺激.大多数基于纳米材料的电阻触觉传感器由沉积在衬底上或嵌入衬底内部的纳米材料组成.重叠的纳米材料形成了导电路径，由于纳米材料自身之间以及纳米材料与聚合物之间的弱界面键合，导致它们在外界机械力刺激下易与衬底发生滑动，从而导致导电路径的变化［图1（A）］）［20］.Gong等［17］在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜之间加入超薄金纳米线浸渍薄纸制备了高灵敏的电阻型压力传感器，在外力作用下，金纳米线浸渍薄纸与电极之间的导电通路会发生变化［如图1（B）］.

Fig.1 Schematic illustration of the sensing mechanism of flexible tactile sensor（A）The proposed working mechanism of the micro-cracked strain sensor［20］.Copyright 2017，Elsevier Ltd.；（B）schematic illustration of the sensing mechanism［17］.Copyright 2014，Springer Nature；（C）working principle of piezoelectric tactile sensor［21］.Copyright 2019，Wiley-VCH；（D）schematic of main working modes of TENGs［23］.Copyright 2019，Elsevier Ltd.；（E）capacitive tactile sensor［24］.Copyright 2014，Wiley-VCH.

压电式触觉传感器是基于非中心对称材料的压电特性，在外界力的作用下晶体产生偶极矩，并在材料中产生宏观电位［21］［图1（C）］.以ZnO作为压电材料制成的压电弯曲传感器可以通过测量电压区域的变化来检测弯曲曲率和速度.

摩擦电式触觉传感器是通过接触或者静电感应在2种不同接触物体之间形成正负相异的2种电荷，简单来说，当2种具有不同摩擦电极性的材料相互接触时，摩擦电效应促进了2种材料表面之间的电荷转移［22］，导致表面两侧形成相反的电荷；当两表面分开时，由于静电感应，在顶部和底部电极上形成补偿电荷；这种感应促进电流通过外部电路从材料的正极流向负极，直到累积的电荷在电极上被中和至平衡；当2个不同材料更加接近时，电流会从负极到正极流动.当外力作用时，外部电流信号发生改变，从而达到触觉传感的效果［23］［图1（D）］.

电容式触觉传感器通常是外界力导致弹性电介质发生变形，使上下电极之间的距离缩短，从而引起电容的变化［24］［图1（E）］.通过将银纳米线等导电材料分散在介电层中，可以更有效地检测外力作用下电容信号的输出.

1.2 灵敏层设计与常用材料

灵敏层是传感器的核心部件，灵敏层的材料选择和结构设计直接关乎传感器的性能.常用的灵敏层材料包括以银、金、铜等为代表的金属材料、石墨烯和碳纳米管为主的碳材料以及PEDOT∶PSS为主的导电聚合物.

金属纳米材料因具有导电性能好和易加工等优点而成为最广泛使用的传感器材料.金属纳米颗粒［25，26］、金属纳米线［27，28］及金属薄膜［29］都是常用的灵敏层材料.Park等［30］通过一步直接转移的方法在PDMS压模上获得具有图案化的银纳米颗粒薄膜.制备的具有微裂纹结构的传感器具有高拉伸性（20%）和高灵敏度（在0.8%的应变下GF值为12.5），并具有快速响应和良好的耐久性（在10%应变下可进行1000次循环）等特点，可实现对人类手指和腕部运动的检测.魏取福课题组［31］制备了基于热塑性聚氯酯弹性体（TPU）电纺膜的碳纳米管桥接银纳米颗粒的应变传感器［图2（A）］，此传感器具有550%的应变拉伸范围，应变系数高达7066，并且在1000次循环测试中呈现出良好的稳定性，不仅可用于人类运动的大范围检测，还可以用于声音等小应变的检测.

由于碳材料具有优良的力学性能和生物相容性，近年来被越来越多地应用于柔性可穿戴传感器的制备中.常见的碳材料有石墨烯［32，33］、碳纳米管［34，35］及炭黑［36］.其中，碳纳米管（CNT）和石墨烯作为新型材料成为近些年的研究热点.碳纳米管具有结晶度高、导电性好等特点，成为制备柔性触觉传感器件的优秀候选者.Stolojan等［37］将CNT在PDMS弹性体中对齐.在水平方向上对齐碳纳米管以减少碳纳米管结点的数量，并垂直于拉伸应变方向引入鳞片状结构［图2（B）］.碳纳米管的排列和鳞片状的结构特征可以调节电子传导路径，使其在15%的应变下GF值约为594，显著提高了传感器的灵敏度.石墨烯（Graphene）是由单层碳原子组成的蜂窝状晶格结构，具有良好的光学性能、力学性能、导热性能以及非常高的载流子迁移率［38～40］.曹镛课题组［41］用超声波剥离的方法将石墨烯从基材上剥离并形成高密度的纳米裂纹，制备的传感器具有高拉伸性（100%）和高灵敏度（在20%应变下GF值为72，在100%应变下GF＞10000）.此传感器具有声音音色的识别能力，且不会出现明显的波形失真.

近年来，由生物材料制得的碳材料因具有良好的导电性、环保性及原材料廉价等优点而受到广泛关注.张莹莹团队［42］将具有丝素蛋白的蚕丝纤维通过简单的热处理制得具有导电性能的碳化丝纳米纤维膜，再用透明的碳化纳米纤维和非结构化的PDMS膜制备了柔性可穿戴的压力传感器［图2（C）］.由于碳化丝纳米纤维具有独特的N掺杂碳纳米纤维网格结构，可以获得高灵敏度（34.47 kPa-1）、超低的检测下限（0.8 Pa）、快速响应时间（16.7 ms）以及高循环稳定性（10000次循环）.该压力传感器可应用于微小的触摸动作以及人体生理信号的检测.付绍云研究组［43］将天然棉线在氮气中热解制成导电碳丝再用PDMS封装，得到具有高拉伸性的应变传感器，且线性的传感器可以集成到纺织品中，赋予了其对纺织品监测的功能.

导电聚合物具有加工性良好、比重小、生产成本低和能效高等特点，是制备可穿戴柔性传感器的常用材料.常用的导电聚合物有聚吡咯［44］、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）∶聚（4-苯乙烯磺酸盐）（PEDOT∶PSS）［45～47］以及聚苯胺［48，49］等.Park等［50］在微型金字塔PDMS基材上使用PEDOT∶PSS，制得了拉伸40%时灵敏度为10.3 kPa-1（＜3 kPa压力范围）且工作电压约为0.2 V的传感器［图2（D）］，同时可以利用摩擦起电效应供应能量，实现了传感器的自供电.但目前导电聚合物的稳定性与金属和石墨烯相比还存在较大差别，是限制其大规模应用的缺陷.

Fig.2 Basic structure of the flexible tactile sensor（A）A strain sensor with silver nanoparticles bridged by carbon nanotubes as a sensitive layer［31］.Copyright 2019，Wiley-VCH；（B）crack changes under strain for a strain sensor with graphene as a sensitive layer［41］.Copyright 2019，Wiley-VCH；（C）pressure sensor with carbonized silk fiber as sensitive layer［42］.Copyright 2017，Wiley-VCH；（D）stretchable pressure sensors coated with PEDOT∶PSS on pyramid surfaces［50］.Copyright 2014，Wiley-VCH.

1.3 电 极

柔性可拉伸电极是柔性可穿戴传感器的关键组成部分.为了使电极与灵敏层有良好的接触以减小信噪比，通常会选用与灵敏层相同的导电材料来制备电极.

金属的导电性好及易加工等特点使得金属电极成为应用最广泛的电极，但普通金属电极在柔性触觉传感器制备中存在拉伸性能差和透光率差等问题，通常采用在金属电极上产生裂纹结构的方法，以保证金属电极的拉伸性.本研究组［51］通过静电纺丝和磁控溅射的方法制备了硫化铜的纳米导电网络［图3（A）］，此导电网络的薄层电阻为20Ω/sq，且透射率高达80%.马剑钢等［52］通过氧等离子体处理辅助的裂纹模板和电镀的方法制备了具有Cu裂纹网络的金属透明电极，得到透射率为80.1%和薄层电阻为0.72Ω/sq的透明电极.但是，在金属电极上产生裂纹结构的方法仅适用于小应变的情况下，且存在制备的裂纹质量不高的问题.

Fig.3 Electrodes and substrates（A）CuS network transparent electrode［51］.Copyright 2016，Royal Society of Chemistry；（B）high-temperature resistant organic gel ion conductor［54］.Copyright 2019，American Chemical Society；（C）mechanical properties of poly（3-hexylthiophene）films［65］.Copyright 2019，Elsevier B.V.；（D）matrix network with island bridge structure［67］.Copyright 2019，Springer Nature.

1.4 柔性可拉伸衬底

柔性可拉伸衬底是影响柔性可穿戴传感器可拉伸性的关键成分，对传感器的拉伸性柔软度以及稳定性具有关键性作用.实现衬底的可拉伸性通常采用2种方法：第一种方法是采用本身固有拉伸性的材料当作衬底，如常用的柔性基底有聚对苯二甲酸二酯（PET）［59］、聚酰亚胺（PI）［60］、聚乙烯（PE）［61］、聚氨酯（PU）［62］、聚二甲基硅氧烷（PDMS）［63］，以及为提高佩戴者舒适度和透气性而选择的织物［64］等材料.此外，鲍哲南等［65］从分子角度（如分子量、区域规则性、主链和侧链修饰等）研究了结构与性质的关系［图3（C）］，通过分子设计为材料在电荷传输不间断的情况下所允许的最大机械变形提供了理论指导.第二种方法是通过合理的结构设计将拉伸性能较差的材料转变为具有良好拉伸性能的材料.本研究组［66］充分利用蛇形结构的可延展性，将拉伸性能低的金属制备成拉伸性能达70%的电容式多功能传感器.通过设计岛桥结构［图3（D）］，我们还得到了拉伸强度可达300%的高延展性和顺应性的矩阵网络［67］.

2 柔性触觉传感器的基本性能与优化方式

为考察柔性可穿戴传感器的性能优劣，通常从可拉伸性和与皮肤贴合度、灵敏度与分辨率、循环稳定性以及传感器的线性度等方面来表征.

2.1 可拉伸性和与皮肤的贴合度

可拉伸性是确定可穿戴式触觉传感器柔性的关键参数，它使传感器在随被测物体运动期间能够拉伸和弯曲而不会损坏.

由于人体皮肤为弹性粗糙表面，所以传感器与皮肤的贴合程度直接影响信号的识别和检测.鲍哲南课题组［68］设计了上层为金字塔形的电容传感器以增强灵敏度和信号检测，下层为微柱的结构可增加与皮肤的贴合度［图4（A）］，将传感器与皮肤贴合度提高到了98%，并使传感器的信号比提高12倍，能够达到检测颈动脉中微弱信号的效果.

Fig.4 Basic performance of flexible tactile sensors（A）Schematic diagram of a pressure sensor containing a microhair structure［68］.Copyright 2014，Wiley-VCH；（B）self-assembly process and pressure response sensitivity curves of pressure sensors［83］.Copyright 2019，Elsevier Ltd.；（C）the microstructure of different structure：（Ⅰ）the microstructure of the pyramid［75］，Copyright 2014，Wiley-VCH；（Ⅱ）microsphere interlock structure［76］，Copyright 2014，American Chemical Society；（Ⅲ）microstructures with blades as templates［78］，Copyright 2017，Wiley-VCH；（Ⅳ）a tiny structure modeled on silk［79］，Copyright 2013，Wiley-VCH；（D）cyclic stability of Ag NFs［5］，Copyright 2018，Wiley-VCH.

2.2 灵敏度

触觉传感器的灵敏度可定义为电响应信号与施加外力或者形变之间的比率，是确定触觉传感系统性能的最重要参数.优化传感器灵敏度有2种方法：第一种方法是设计新型原理的传感器，如受蜘蛛的狭缝器官启发所设计的微裂纹结构触觉传感器［69］；第二种方法是利用微纳加工技术改进现有传感器的结构，优化其灵敏度.

近年来，由于微纳加工技术的发展，利用微纳阵列结构优化传感器性能的研究成为热点.常用的微纳阵列结构有金字塔结构［70］、微球［71］/微柱［72］结构以及多孔结构等.金字塔形状的微结构因其制备过程比其它常见微结构简单，易调节且灵敏度高而被广泛应用［73］.鲍哲南研究组［74，75］通过2次脱模过程得到金字塔微结构，研究了不同几何形状及尺寸的微结构对传感器性能的影响［图4（C）中（Ⅰ）］，并解决了非结构化的PDMS存在的黏连问题.带有金字塔型微结构的传感器比无结构的传感器灵敏度最高可提高30倍［74］，金字塔结构的斜边斜率越大灵敏度越高［75］.除金字塔型的微结构外，微球结构因能够检测分辨力的方向，也被广泛研究.Park等［76］通过模仿人类表皮中的表皮皮脊互锁结构，设计了微球阵列［如图4（C）中（Ⅱ）］，其中圆顶形导电弹性体的互锁几何形状使应力集中在接触点上，导致微区变形，从而提高了压阻对各种触觉刺激的敏感性，同样互锁的微球对于法向力和剪切力的电阻变化趋势和强度不同，所以能够检测力的方向和强度.

上述微结构是通过光刻等方法制备的，存在工艺较复杂、成本较高且耗时长等问题.为解决此问题，研究者将目光放在生物材料上［77］.张莹莹研究组［78］直接用表面带有微球结构的叶子作为模板，得到了具有分级微观结构的大面积PDMS膜［如图4（C）中（Ⅲ）］，再通过化学气相沉积的方法合成石墨烯和碳纳米管的杂化膜，将杂化膜转移到具有微结构的PDMS上，制备了具有良好的结构完整性和丰富的敏感部位的压力传感器.此传感器可检测细微的压力扭曲力和声震动等，但是每个叶子的尺寸结构不一，所得传感器无法控制其微结构的尺寸和样式.基于此，张珽等［79］将PDMS涂覆到丝绸上进行固化，然后从丝绸上剥离，得到了均匀的微结构［如图4（C）中（Ⅳ）］.通过调节丝绸的间距，可随意调节微结构的尺寸.该方法可以非常容易地大规模制备微结构.

2.3 分辨率

分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力.通常灵敏度高的传感器能检测到较小外力的信号.Kim等［69］通过蜘蛛的狭缝器官得到启示，制备了含有纳米级裂缝的传感器，该传感器可以检测瓢虫所施加的压力（5 Pa）以及频率为200 Hz，振幅为14μm的震动.同样，我们［80］通过裂纹结构制备了高灵敏、低检测下限的触觉传感器，除了能够检测0.01%的应变外，对于羽毛拂过、水滴下落等微小变形也能够检测到.马剑钢等［52］利用氧等离子体辅助裂纹模板和电镀法制备了溶液处理的铜裂纹网状透明电极，基于透明电极的嵌入式Cu网络压力传感器能够检测1.1 Pa的压力.

2.4 线性范围

线性度是传感器输入与输出成线性的范围.线性响应范围越宽，就越利于校准和数据处理，从而使传感器的应用更加方便，测量结果更可靠.Cho等［32］使用皱纹结构修饰表面的化学气相沉积石墨烯/PDMS微球阵列，制备了一种高度灵敏的压阻式压力传感器，因其采用分层的石墨烯/PDMS阵列，上下颠倒放置在底部的叉指电极上，充当底部分离的共面电极之间的导电桥，其线性响应范围为0～12 kPa.任天令等［81］使用具有高斯随机分布表面轮廓的压阻纳米复合材料制造了柔性压力传感器，将线性响应上限提高到14 kPa.李红变团队［82］将荷叶的多尺度层次表面复制到PDMS上，使PDMS表面具有微米和纳米尺度的图案，喷涂的石墨烯薄膜用作活性电极，所制备的压力传感器具有0～25 kPa的宽线性范围，灵敏度为1.2 kPa-1，检测下限为5 Pa，且稳定性较高（＞1000次循环）.潘曹峰和陈涛团队［83］借助于毛细作用力诱导的压缩，将石墨烯纳米片喷涂在液体/空气表面上，形成高导电性自组装的石墨烯薄膜，并转移到具有微结构的PDMS膜上［图4（B）］，褶皱结构存在一定的拉伸性，所制备的压力传感器同时具有高灵敏度（1875.53 kPa-1）和较宽的线性响应范围（0～40 kPa）.

在矿区Ⅰ号铅锌矿体南部断裂破碎带中见宽约8m、地表可见长度约350m的赋存于安山岩与灰岩的伴生金、银、铅、锌矿化的铜矿体。断裂带南段赋存于大哈拉军山组英安岩中见一金矿化体。断裂带为一条NNW向张扭性、韧脆性叠加断裂。铜矿体的形成是由于基地断裂活动以后，造成其次一级NNW向控矿断裂的活动，同时热液又使深部的铜进一步活化、迁移并到断裂破碎带中富集沉淀，铜品位相对较高[6]。

由于在外力作用下，触觉传感器的灵敏层会经历均质到异质的变化，所以大多数的触觉传感器都是非线性的［84］.此外，为提高触觉传感器灵敏度所引入的微结构有时也会降低触觉传感器线性响应范围.因此，触觉传感器应根据使用场景在高灵敏度和宽线性范围之间权衡；同时应设计新型传感器结构，以求在较高灵敏度下有着较宽的线性检测范围，方便触觉传感器的校准与使用.

2.5 循环稳定性、响应时间和力滞效应

循环稳定性、响应时间和力滞效应是评估动态负载下传感器性能的3个关键参数.循环稳定性是指传感器使用一段时间后其性能保持不变的能力.响应时间决定了传感器响应刺激的速度.力滞效应会导致在加载和卸载外力时传感器的感应性能不一致.

由于聚合物的黏弹性，在所有基于聚合物的触觉传感器中都存在力滞行为、响应延迟和循环不稳定性等问题［85］.为了优化传感器性能，应优选低黏弹性的聚合物或者采用结构调节的方式降低聚合物的黏弹性.Park等［86］采用对称的三明治结构，其中传感层完全嵌入到柔性基板中并从两侧对称地封装，组装后的应变传感器显示出优良的稳定性、宽线性范围且在40%的应变下无滞后现象.Wang等［87］在PDMS中加入碳纳米纤维与石墨烯纳米板制备了可拉伸应变传感器，其可承受1000次的循环稳定性测试.由于织物的黏弹性远小于聚合物，所以以织物为基底的柔性触觉传感器在循环稳定性和力滞方面存在较大的优势.我们［5］利用静电纺丝、光刻技术和湿法刻蚀制造了大型的图案化银纳米纤维电极［图4（D）］，所制备的触觉传感器的响应时间为70 ms，在10%的应变下循环次数可达到2700次.

3 新型可穿戴触觉传感器

为更好地满足柔性触觉传感器的应用需求，具有自修复和自愈合、自驱动、生物相容性、可降解和可视化等性能的新型触觉传感器被陆续研发出来.

3.1 可自修复和自愈合的触觉传感器

传感器在实际应用中难免受到损坏，为了提高传感器的使用寿命，能够自我愈合和自我修复的材料成为了研究的热点.

自愈合和自修复的过程通常采用2种方法进行.一种是将修复剂填充到损坏部位，使修复剂与断裂表面产生聚合网络，达到修复的目的.另一种方法是采用含有动态可逆键的材料，使材料本身在断裂处重新产生连接键，恢复其原有的性能.张新星团队［88］基于超分子金属-配体配位键和分层结构的导电网络自修复弹性体制备了压阻正负可调且可自修复的应变传感器.他们将氯化锌修饰的环氧化天然橡胶和组氨酸修饰的纳米素纤维单体共聚形成超分子金属-配体配位结合弹性体，弹性体通过组氨酸和Zn2+之间的可逆配位反应进行交叉共聚，使得弹性体具有优异的自修复性能.所制备的弹性体切割后2 min内愈合，并且复原后的弹性体仍可承受1000%的拉伸应变.张新星课题组［89］还制备了一种纳米结构的超分子弹性体，此弹性体具有氢键相互作用和金属-配体配位的双重非共价网络，可在30 s内自主恢复99%，具有很高的治愈效率.此外，得益于3D导电网络，该传感器具有很高的电灵敏度和非常低的检测极限（0.2%应变），可用于检测人体微小应变.徐航勋等［48］制备的聚苯胺、聚丙烯酸和植酸组成的三元聚合物复合材料表现出高拉伸性（≈500%）和出色的自愈性能，断裂时电气和机械性能均可通过恢复动态氢键和静电相互作用从而在24 h内实现99%的恢复［图5（A）］.陈咏梅团队［3］将金属配位键整合到了一个松散交联的离子凝胶网络中，得到了一种离子凝胶纳米复合材料，此复合材料能够在-20～60℃的环境下完成自愈，且制备的传感器在800%～1400%的应变下拉伸时灵敏度系数（GF）为20.

Fig.5 A new flexible tactile sensor（A）Schematic illustration of the self-healable conductive polymer composit［48］.Copyright 2017，Wiley-VCH.（B）The working mechanism of the friction nano generator［91］and the electrical output performance of the self-driven tactile sensor［93］.Copyright 2018，Wiley-VCH；Copyright 2020，Elsevier Ltd.（C）Visual tactile sensor I—V curve characteristics of single ZnO nanowires under different pressures and visual display of letter E under different pressures［98］.Copyright 2017，Wiley-VCH.（D）Degradation process of biodegradable tactile sensors［109］.Copyright 2019，American Chemical Society.

3.2 自驱动触觉传感器

在使用过程中，触觉传感器的电源供应是一个重要问题.电池的大尺寸、重量和硬度也限制了它们在智能系统的微纳柔性电子设备中的应用.因此，从自然界中收集能量并将其转化为电能对于未来的触觉传感器具有重要意义.具有自驱动功能的传感器无需外部供电，更适合可穿戴应用.2012年，王中林等［91］首次提出了摩擦纳米发电机（TENG）的概念，为机械能的收集提供了新的思路.TENG的原理基于摩擦带电和静电感应的耦合.TENG具有以下4个基本工作模式：单电极模式、垂直接触分离模式、横向滑动模式和独立式摩擦电层模式［92］.王中林课题组［93］研究了2种不同电负性的材料之间的相对机械作用，所产生的摩擦电荷会导致周围电势的改变，从而激发磷沿运动轨迹的电致发光，所制备的自驱动压力传感器在20 kPa的范围内具有0.03 kPa-1的灵敏度.代坤等［94］通过多层热塑性聚氨酯（TPU）/银纳米线（AgNWs）/还原氧化石墨烯（rGO）制造了基于可拉伸摩擦电纳米发电机（STENG）的柔性自驱动电子皮肤［如图5（B）所示］.所制备的自驱动压力传感器的灵敏度可高达78.4 kPa-1，响应时间为1.4 ms.尺寸为2 cm×2 cm的传感器能提供202.4 V的开路电压和6 mW/m2的瞬时功率密度，可以用作高效的能源供应设备.王中林团队［95］将聚四氟乙烯和尼龙层紧密连接，所制备的传感器可以在0.1～3.2 kHz的超宽频率范围内测量快速变化的压力，能够实现自供电抗干扰喉咙的语音记录和识别，以及高精度多模式的生物特征认证.

除了摩擦纳米发电机作为触觉传感器的供电装置外，太阳能电池也为触觉传感器的自供电提供了一种思路.我们［96］以氧化锌纳米线为电子传输层在室温下制备了柔性的钙钛矿太阳能电池，利用压电效应将柔性ZnO基钙钛矿太阳能电池的功率转换效率提高了近40%，可将太阳能电池和触觉传感器相结合，为自驱动的触觉传感器研究提供了新思路.

3.3 可视化触觉传感器

触觉传感器采集的是电信号的改变，对于集成度高、面积大的触觉传感器，逐点采集电信号需要较长的时间以及较为复杂的连接线结构，限制了其在一些场合的使用.因此，人们将触觉感测元件赋予发光特性，将施加的触觉刺激转化为可见光的强度［97］或者颜色变化的检测，极大简化了传感器连接线结构，减少了信号采集时间，为高速并行压力分布采集提供了可能.

本课题组［98］将WO3薄膜电致变色器件与氧化锌纳米线矩阵压力传感器结合，实现了500μm的空间分辨率和压力可视化［图5（C）］.通过施加外部压力会在ZnO纳米线的两端产生压电极化电荷，从而导致WO3的颜色变化，基于WO3的颜色记忆功能可实现无外界帮助下记录压力的效果.Park等［99］将基于纳米级裂纹的应变传感器与分层的热致变色膜相结合，将应变传感器所受到的应变转化为热致变色膜的颜色变化，方便检测与观察.孙雪梅等［100］将嵌入发光磷体的聚合物做成中空的套管，以纤维电极作为芯体制成发光的纤维压力传感器，通过电致发光可视化力刺激的实时强度和分布.我们［101］制备了基于p-GaN膜和n-ZnO纳米线异质结构的LED柔性压力传感器阵列，该阵列通过压电效应来增强发光，从而通过发光强度获得压力分布.力致发光材料是一种新型的发光材料，能够在压力［102］、拉伸、弯曲和挤压等外力作用下发光［103］.孙陆逸团队［104］利用裂缝和褶皱结构完成了4种不同类型的力致变色，通过施加外界应变导致颜色发生变化，这些装置被设计成实现机械变色的传感器，可以观察到器件在拉伸期间发出从绿色到黄色再到橙色的荧光.宋延林等［105］将ZnS∶M2+（Mn/Cu）＠Al2O3力致发光颗粒和PDMS混合制备了可以通过发光来检测应力的触觉传感器，通过传感器的亮度变化来检测唇角、眼角以及脸颊的变化.

3.4 具有生物相容性和可降解的触觉传感器

在可穿戴式触觉传感器使用过程中，为避免人体产生免疫排斥反应［106］，通常采用生物相容性比较高的材料来制备.Engelke等［107］制备了一次性生物相容性和可生物降解的压力传感器贴片，由电容性三明治结构制成，使用可生物降解的材料聚癸二酸甘油酯作为电介质层，金属镁作为电极.该设备可在使用期限后被人体完全吸收［图5（D）］，避免了进一步的手术干预并减少了废物的产生.付俊等［108］用互穿PANI和聚丙烯酰胺共聚物合成了坚韧的导电水凝胶网络，可检测出重复出现的大应变和细微的振动，且水凝胶具有良好的生物相容性.万鹏博等［109］制备的基于多孔MXene纳米片纸的可佩戴瞬态压力传感器以可生物降解的聚乳酸（PLA）作为基板及封装层.可降解性能研究表明，该传感器在37℃的磷酸盐缓冲溶液（23%）和0.5 mol/L氢氧化钠（NaOH）溶液（68%）中放置14 d后会降解，不会对环境造成任何损害.

4 柔性触觉传感器在可穿戴电子领域的应用

触觉传感器是解决人工智能和移动医疗保健等相关问题的关键技术之一.本节描述了3种触觉传感器的应用，并分析了该技术的发展对人们生活的潜在影响.

4.1 柔性触觉传感器在生物医学领域的应用

由于常规的健康检测设备存在成本较高、无法长期佩戴及持续监测等问题，基于柔性触觉传感器的可穿戴健康医疗设备凭借其柔软可拉伸、与皮肤等人体组织相容性好及能够持续监测人体健康信号等优势［110］，在生物医学领域取得了一席之地.

使用触觉传感器获取眼压、桡动脉脉搏、呼吸率［111］、心电和肌电等生理信息可以检测到一些早期的健康风险.Jeong等［112］基于金纳米颗粒制备了电阻应变传感器，可与传统的心电图设备一样识别心脏的心动图（ACG）信号［图6（A）］.ACG波形清楚地指示了所有特征峰，为心脏状况诊断提供了有价值的信息，实现了对心动图和血液动力学的无线实时监控.邓维礼研究组［113］利用微通道限制的MXene柔性多功能压阻式压力传感器检测了人类手腕处脉搏的信号变化，并能分辨出人类脉搏的典型峰值及特征，进而可进行心血管疾病的检测.Rogers等［114］设计了由触觉传感器、数据处理以及电源组成的表皮电子系统，此系统直接贴到人体皮肤上即可测量由心脏、大脑以及骨骼肌产生的电信号.同时，他们还开发了一种只需要水就可以很好地黏附在皮肤上，从而对新生儿的生命体征进行监视的传感器.该传感器可提供温度、心率、呼吸频率、血氧饱和度以及脉搏等信息，并可与现有医疗检测设备兼容.张莹莹等［115］使用丝绸织物的碳纤维制备了灵活的多元汗液分析贴片，具有高灵敏度、良好的选择性、长期稳定性和良好的重复性，可监测6种与健康相关的生物标记物（葡萄糖、乳酸、抗坏血酸、尿酸、Na+和K+），并且将信号收集与传输组件集成在一起，实现了汗液中生物标志物的实时监控.

Fig.6 Applications of flexible tactile sensors（A）Cardiac ACG signal resolution measurement system［112］.Copyright 2016，Wiley-VCH；（B）a real-time cardiac detection system that provides feedback through color changes［116］.Copyright 2017，American Chemical Society；（C）gloves with microcrack strain sensors can be used to control precise movement［80］.Copyright 2020，AIP Publishing；（D）pressure sensors that can detect arterial pulse signals［83］.Copyright 2019，Elsevier Ltd.

通常人体所产生的心电信号难以监测，需要靠专业的医生来监控和分析.为了使检测心电信号的可穿戴设备更加适用于家庭护理的使用，Kim等［116］制备了一种基于颜色可调的有机发光二极管的心电图监测系统，将传感器与放大器集成在一起，用于连续检测心电图的信号［如图6（B）所示］.再将检测设备与颜色可调的发光二极管结合，用于将心电图信号转化为颜色变化.该系统在心脏正常情况下发红光，在心脏活动异常情况下发出蓝色警报颜色.

4.2 柔性触觉传感器在运动监测领域的应用

有些疾病，例如阿尔茨海默病和帕金森等，在发病初期常常以异常的行走步伐和手的突然震颤等形式表现出来，因此，在日常生活中监测身体活动和正确的运动姿势就非常重要.触觉传感器在人体运动监测领域主要分为2个方面：人体关节大应变的运动监测和呼吸以及面部表情等小应变的监测.Hata等［117］制备了一种基于碳纳米管的应变传感器，能够识别膝盖的弯曲、下蹲、跳跃、行走和跑步等活动，还可以监测运动的强度和频率等运动信息.朱宏伟等［118］利用石墨烯制备了应变传感器，可以在静止和运动状态下实时准确地获取呼吸频率的信息，通过对呼吸频率的监测，为诊断睡眠障碍、哮喘和贫血等疾病提供依据.Lee等［119］将PEDOT∶PSS与单壁碳纳米管结合制备的超灵敏应变传感器能够识别不同的面部表情和眨眼动作，可以通过监测眨眼动作的频率和强度来评估疲劳程度和人体健康.潘曹峰和陈涛团队［83］利用自组装石墨烯的方法制备了可检测脉搏信号的压力传感器［如图6（D）所示］，能实时监测人们日常运动的脉搏信号.

可穿戴式触觉传感器的另一个重要用途是为残疾人提供假体中的神经集成触摸反馈.我们［67］设计了一种受皮肤启发的高度可拉伸和顺应性的矩阵网络，它是一种多感官电子皮肤，能够检测温度、面内应变、相对湿度（RH）、紫外线（UV）、磁场压力和接近度，可实现同时的多刺激感测，并具有可调节的感测范围和大面积扩展性，可能适用于高集成度大面积集成方案.

4.3 柔性触觉传感器在智能机器人的人机交互界面中的应用

将柔性触觉传感器与智能机器人系统进行集成，智能机器人可以通过获取柔性触觉传感器的信号来控制其动作，完成模仿人类触觉反应的过程.当带有柔性触觉传感器的智能机器人与其它设备（如医疗设备）进行集成时，可以代替人们完成精度要求较高和工作环境较危险的工作.如，用柔性触觉传感器开发的一系列智能手套，可以通过与机器人电路集成等方法直接控制机器人的操作.Cheng等［120］使用金纳米线制备的应变传感器通过无线电路的集成，可以直接控制机械手的操作.本研究组［80］将触觉传感器与手套相结合［如图6（C）所示］，不仅可以检测手在抓握过程中的压力分布，帮助触觉受损的人，还可以帮助外科医生在手术过程中感受微小组织和血管变形.Sundaram等［121］在手套上分布548个传感器的阵列，通过收集数据并分析用来识别抓握的触觉特征，从而为机器人和假肢的应用提供了可能.鲍哲南研究组［122］基于碳纳米管制备了柔性触觉传感器，将此传感器安装在机械手上，使得机械手能够通过触觉传感器的信息反馈完成拿取物品的操作，并实现了对于易碎物品的无损拿取.Park等［86］使用银纳米线和PDMS制备了应变传感器，并基于此三明治结构的应变传感器制作了一个智能手套，通过无线传输组件将智能手套的应用数据传输给计算机.通过此系统可以使机器人完成模拟手指弯曲的动作.

5 总结与展望

本文介绍了柔性触觉传感器的主要研究进展以及近期在可穿戴电子技术、医疗检测设备和智能机器人应用等方面的研究成果.通过材料和结构的改进，柔性触觉传感器的灵敏度及线性度等基本特性得到了优化.同时，自驱动、自愈合、可视化等多功能传感器的设计更加合理和成熟.柔性触觉传感器的发展与成熟推动了其在生物医疗、运动检测以及人机交互等领域的应用与发展，从而进一步促进了智能系统的发展.

尽管触觉传感器的研究在过去几年取得了巨大的发展与进步，但是大多数传感器仍处在基础阶段，在实际应用中还存在巨大的挑战.第一个挑战是在多种信号并行采集时需要不同类型传感器同时工作，存在相互干扰的问题.例如同一个柔性触觉传感器可能会对多种刺激产生信号，从而难以确定产生信号的刺激类型以及每种刺激的大小.因此需要在材料选择、器件结构设计以及信号提取分析等多方面进行研究与优化，以获得多模态感知的新型传感器及传感系统.第二个挑战在于基于柔性触觉传感器的可穿戴系统的集成研究.目前关于传感器的研究较多，并取得了丰富的研究成果，而系统集成研究还比较少见，其中数据传输和信号处理是可穿戴系统集成的一大瓶颈.无线传输尽管降低了导线的排布，但是传输速率以及传输距离的限制也非常明显.获得性能优异的可穿戴触觉系统，不仅需要材料和化学领域专家在新材料、新器件等领域优化传感器的性能研究，也需要电子和机械等领域的科学家在信号提取与分析，以及便携式供能方面进行驱动可穿戴触觉系统工作的研究.对传感器与其它器件结合等多方面进行研究，需要集成材料、电子、机械等多学科的新技术，以及各学科研究者们通力合作才能在将来取得关键性突破.