研究背景

柔性传感器通常由多人的基体材料和电极组成。根据基质材料的内在特性，目前柔性传感器的机电转换机制可分为压电式、压阻式和离子式传感器，其中压电式和压阻式传感器的传感信号是由电子介导的。压电传感器使用压电材料作为基体，将机械应变转换成电信号。压电效应可以通过材料内部发生的偶极子偏转来解释。当受到外部机械应变时，材料中晶体结构的变形会导致极化。此外，原本混乱的偶极子在外部机械应力下表现出有规律的序列，在两个表面形成偶极矩，并产生电信号。一般柔性压阻材料由聚合物基体和导电填充物组成。随着导电填料的密度(压力)增加，导电颗粒之间的平均距离减少，从而形成一个新的导电路径，降低电阻率。这种类型的柔性传感器在一定的拉伸范围内表现出良好的灵敏度。然而，由于分子结构之间有很强的化学结合力，压电和压阻传感器表现出很高的杨氏模量和很窄的应变范围(<10%)。然而，人类皮肤在关节处允许超过30%的应变，这比压电和压阻材料的应变低几个数量级。此外，考虑到生物信号是由离子介导的，压电或压阻电子传感器和生物系统之间的亲密交流是一个技术挑战。

与电子系统不同，人类皮肤使用离子和分子而不是电子来感知外部刺激。根据生物学原理，存在于人类皮肤中的生物离子通道在平衡状态下是关闭的，它保持着细胞膜内外的阳离子和阴离子浓度。当受到外部刺激时，细胞膜上的离子通道打开，细胞外基质中的Na⁺流入细胞，并产生电信号给神经系统，帮助感知外部刺激，如压力、应变、温度和湿度。近年来，离子柔性传感器(IFS) 已被设计为模仿人类皮肤的传感机制，它依赖于电子介导的离子运输和补偿。当IFS处于平衡状态时，阴离子和阳离子均匀地分散在离子电解质中。当受到外部刺激时，它们分别迁移到IFS的两侧，产生电信号。因此，IFS 不仅复制了人类皮肤的触觉功能和拓扑结构，而且还模仿了基于离子迁移的生物传感机制，因此，与生物系统在概念上有很大的相似之处。特别是，生物启发方法可以提供一个机会，帮助创造一些具有更高的灵敏度和更广泛的压力响应范围的IFS，超越人类皮肤。换句话说，能够感知各种外部刺激的可变形离子传感器设备已被引入，以密切模仿人类皮肤的触觉感知。IFS 包括电极层和固体离子聚合物基质。固体离子聚合物基体通常包含一个聚合物基体和一个离子电解质。前者帮助离子聚合物基体保持适当的硬度，而后者使基体保持适度的导电性并获得可移动的离子。聚合物基质的纳米孔通常比水分子和离子的尺寸大得多，以确保可移动离子在聚合物中自由移动。在机械力作用下，离子重新分布并在离子聚合物基体和电极的界面上形成电双层。与压电式和压阻式电子传感器相比，IFS 的液固结构表现出极低的杨氏模量和生物相容性，具有很高的灵敏度。

尽管已经做出了相当大的努力将人类皮肤的拓扑微观结构反映到IFS中，但考虑到电极属于"电子"层面，大多数IFS只停留在从"电子“到"离子“层面的柔性传感器上。然而，在人体内只有离子作为信号媒介，这对开发生物相容性IFS来说仍然是一个关键的技术挑战。最近，一些新的离子聚合物基质和离子导电电极已经被开发出来，以实现在人类皮肤中观察到的跨越生物离子通道的离子机械传导现象。与电子和离子皮肤设备相比，它放弃了电子传导的概念，只用"离子"来产生和传导信号，显示出更先进的生物界面。此外，为了完全模仿人类皮肤的特性，最近还开发了具有自供电、自愈合、可生物降解等人类皮肤特性的IFS。IFS的这些重大进展使其成为新兴技术的潜在候选者，例如，可穿戴或生物启发式传感器平台。

成果简介

在过去的几十年里，柔性传感器已经从“电子“层面发展到"离子“层面，并逐渐发展到离子"层面。离子柔性传感器(IFS) 是一种基于离子迁移概念的先进传感器。与传统的电子传感器相比，IFS 不仅可以复制人类皮肤的拓扑结构，而且能够实现与人类皮肤类似的触觉感知功能，为缩小传统电子学与生物界面之间的差距提供了有效的工具和方法。河海大学、江苏省特种机器人技术重点实验室王延杰教授等人在这篇综述中，全面回顾了IFS的几种典型传感机制、成分、结构设计和应用的最新研究和发展。特别是，新型离子材料、结构设计和仿生方法的发展导致了各种新颖和令人兴奋的IFS 的发展，它们可以有效地感知压力、应变和湿度,具有高灵敏度和可靠性,并表现出自供电、自愈合、生物降解性和其他人类皮肤的特性。此外，还回顾了IFS在人造皮肤、人类互动技术、可穿戴健康监测器和其他相关领域的典型应用。最后，对IFS目前的挑战和未来的发展方向提出了看法。相关报道以“Ionic Flexible Sensors: Mechanisms, Materials, Structures, and Applications”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Mechanisms, composition, structures, applications of ionic flexible sensors (IFS).

Figure 2. a) Ionic gel membrane with a high aspect ratio microstructure was prepared by a silicon sandpaper mold. b) IFS with renewable mesoporous cellulose membrane. c) Edible supercapacitive interfacial IFS. d) Biodegradable IFS. e) IFS based on self-repairing hydrogel. f) Self-healing mussel-inspired multi-pH-responsive hydrogels. g) Crosslinking complexes by mixing strong ligands and weak ligands.

Figure 3. a) IFS based on plant materials. b) Fabric-based ionic sensing devices. c) IFS with unique advantages of paper. d) IFS fitting perfectly to human skin using human skin as the signal interface.

Figure 9. Non-metal-based electrodes. a) Carbon nanotube electrodes with vertical and parallel arrangement.  b) Wave-shaped carbon nanotube electrode. c) Wave-shaped graphene  electrode. d) Electrode based on a conducting polymer. 

总结展望

在这篇综述中，作者总结和讨论了新兴IFS 的进展，包括其传感机制、聚合物基体、电极、结构设计和潜在应用。一般来说，IFS可以根据传感机制和模式分为超电容界面IFS、压电IFS和压阻式IFS。首先，选择离子材料的选择在决定IFS的传感性能和特性方面起着影响作用。根据其物理特性，它们可以进一步分为ILs、 离子聚合物/凝胶、水凝胶和自然衍生的离子材料，如本工作中详细描述的。此外，通过离子聚合物基体的结构设计，IFS 的灵敏度和压力响应范围可以得到显著提高。此外，通过优化离子材料和电极，IFS 的稳定性和可拉伸性可以得到进一步改善。最后，讨论了IFS的前景，以及它们在人造皮肤、人类互动技术和可穿戴医疗设备方面的挑战和机遇。特别是，由于最近人们对IFS的兴趣和快速发展，新的压力感应模式在高灵敏度、抗干扰性、低检测噪音和动态/静态力响应方面具有很大优势，这可以为进一步发展具有良好生物特性的电子皮肤奠定基础。

虽然IFS引发了柔性传感器的发展，使其超越了人类的自然触觉能力，但考虑到其处于发展的初始阶段，仍有许多亟待解决的挑战。首先，尽管在以前的研究中已经报道了许多IFS的传感机制和模型，但它们只能预测IFS 在特定环境中的传感性能，并不具有普遍性。因此，很难准确描述受外部环境干扰的IFS的机制。特别是对含水量、温度和湿度等因素的研究还不够。因此，应进一步探索IFS的新的感应机制和模型，其中IFS可以适应各种环境。

此外，虽然许多人已经报道了超敏感的IFS，但IFS的压力响应范围需要进一步扩大，特别是超低响应极限，尤其是超低响应极限，需要进一步扩大，以满足健康监测、人造皮肤和假肢等应用的具体需求。因此，应进一步研究新型离子材料和制备工艺,以实现可调控的压力响应范围。此外，IFS的传感性能受到许多因素的影响。例如，水含量的减少会导致传感性能的迅速下降。因此，IFS 的稳定性也是一个技术挑战。虽然封装工艺可以有效避免含水量的减少，但传统的封装工艺会降低IFS的机械性能。因此，应进一步开发先进的封装技术，以减少环境对IFS的影响。目前，尽管IFS经历了快速发展，但能够感知多种形式的离子传感装置还没有得到充分发展。大多数IFS集中在感知单一类型的外部机械刺激的能力上。然而，生物皮肤和机器人都需要多模态的触觉感应能力，以同时感应多种力量，例如，切向力、法向力和扭转力。因此，IFS 的结构设计应进一步发展或与先进的机器学习技术相结合，以便能够区分多种机械力。

此外，在制备技术方面，已经报道了几种方法，如光刻法、成型法、电镀法和印刷法。然而，现有的制备工艺复杂而昂贵，使其难以实现IFS的大规模生产。同时，现有的制备工艺并不通用，即使使用相同的制备工艺，也无法制备出具有相同传感性能的IFS。此外，由于IFS在前十年的快速发展，IFS 还具有许多额外的功能，如：生物降解性、自供电、自修复等。然而，为了使具有额外功能的IFS 得到最佳应用，必须控制许多细节，如离子材料、结构、制造工艺、厚度和封装,考虑到增加功能可能限制材料的选择和制造工艺，这也是一个技术挑战。

因此，有必要开发一种简单的、低成本的、通用的制备工艺，以全面发展IFS，从实验室的概念验证装置到商业产品。

文献链接

Ionic Flexible Sensors: Mechanisms, Materials, Structures, and Applications, Adv. Funct. Mater. 2022, 2110417,

https://doi.org/10.1002/adfm.202110417.