“柔性時(shí)代”來臨：柔性可穿戴傳感器正向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展

作為柔性手機(jī)的重要組成部分，柔性可穿戴傳感器正在從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月24日，西班牙巴塞羅那，華為可折疊智能手機(jī)“Mate X”以高達(dá)2299歐元（約合人民幣1.7萬(wàn)元）的售價(jià)在人們的期待中亮相于世界移動(dòng)通信大會(huì)（MWC）。此前，柔宇、三星、小米也相繼展示了其研發(fā)的可折疊手機(jī)。

“柔性時(shí)代”已然來臨，折疊屏將是2019年手機(jī)市場(chǎng)熱點(diǎn)之一，成為業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。

“普通公眾的理解是，可折疊手機(jī)就是屏幕是柔性的手機(jī)，但事實(shí)并不是這樣的。”近日，在接受采訪時(shí)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員沈國(guó)震表示：“如果想實(shí)現(xiàn)手機(jī)任意角度的可折疊和彎曲，手機(jī)上所有的器件都要具備這一功能?！倍鳛槿嵝允謾C(jī)的重要組成部分，柔性可穿戴傳感器正在從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的研發(fā)

在沈國(guó)震的名片上，有這樣一行字：“研究興趣：低維半導(dǎo)體材料與柔性電子器件?！?009年美國(guó)訪學(xué)歸來后，沈國(guó)震就將柔性電子器件作為自己專注的研究方向，并從柔性電池起步，涉獵了柔性晶體管、傳感器等可穿戴電子領(lǐng)域的諸多應(yīng)用。其中，面向人工智能和健康監(jiān)控的柔性可穿戴傳感器一直是其團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)，有關(guān)柔性觸覺傳感、柔性成像陣列、生物傳感、氣體傳感以及多功能傳感集成等領(lǐng)域的研究成果先后發(fā)表在《先進(jìn)材料》《中國(guó)科學(xué)》等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上?！拔覀冞@些年的工作是以需求為牽引的，依據(jù)柔性傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景開展相應(yīng)的研發(fā)工作?！鄙驀?guó)震總結(jié)說。

作為最近發(fā)表在《中國(guó)科學(xué)》上一篇有關(guān)柔性、透明的電容式壓力傳感器論文的作者之一，沈國(guó)震團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員婁正向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》詳細(xì)介紹了他們研發(fā)的濕度傳感器、數(shù)據(jù)手套，以及即將發(fā)表論文的鋼琴手套等諸多可穿戴柔性傳感器的過程。他告訴記者，隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)發(fā)展高性能柔性傳感器的需求也在不斷增加。人們希望傳感器件可以舒適地穿戴在身上，或者直接貼附在皮膚表面，從而能夠獲得血壓、血糖、脈搏等一系列健康信息，并將這些信息收集到智能設(shè)備中，經(jīng)過分析和提取，幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷。此外，通過在人類假肢或機(jī)器人上貼附相應(yīng)柔性傳感器及傳感系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知，獲得多自由度的超級(jí)操控。這些都使未來的人類生活更具想象空間。

“正因如此，這幾年柔性電子研究非常熱。很多人開始進(jìn)入這一領(lǐng)域，這是好事，對(duì)于領(lǐng)域的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要?！鄙驀?guó)震說。不過，他提醒道，“在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，不能過于追求熱度，特別是年輕的科研人員，要扎根某一領(lǐng)域，埋頭苦干，進(jìn)行必要的科研積累?！?/p>

從靈敏度到透明性

信息技術(shù)的未來發(fā)展方向是通過人與外部信息交互融合，從而達(dá)到對(duì)物理世界、信息數(shù)據(jù)以及人類社會(huì)資源的綜合高效利用。基于這一目標(biāo)，他們從柔性傳感器的性能切入，逐步提高其靈敏度、穩(wěn)定性、均勻性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展其功能，使之具備透明性、生物兼容性、拉伸性、自愈性等更多的性能。

以他們最近發(fā)表在《中國(guó)科學(xué)》上有關(guān)柔性、透明的電容式壓力傳感器的論文為例。在這一獲得了自然科學(xué)基金資助的成果中，他們成功研制了一種基于特殊微結(jié)構(gòu)銀納米線/PDMS復(fù)合電介質(zhì)層材料的柔性透明電容式壓力傳感器。與采用純PDMS平面結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層器件相比，有微結(jié)構(gòu)的傳感器具有更高的靈敏度、更低的檢測(cè)范圍，以及更好的穩(wěn)定性和耐久性。

此外，在論文中，他們也對(duì)導(dǎo)電填料含量和微結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)傳感機(jī)理進(jìn)行了討論，還研制了一個(gè)5×5的傳感器陣列，并用于柔性透明的可穿戴式觸摸鍵盤系統(tǒng)。對(duì)可穿戴電子設(shè)備來說，采用簡(jiǎn)易制備技術(shù)得到的具有高靈敏度、快速響應(yīng)的壓力傳感器至關(guān)重要?！拔覀兊难芯拷Y(jié)果表明，壓力傳感器在未來的電子皮膚領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景?！眾湔f。

近年來，將生物材料與柔性電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以天然材料為重要材料，建立各種新型功能化微納結(jié)構(gòu)、器件與集成系統(tǒng)，已成為柔性電子重要的前沿研究方向之一。在這方面，他們與吉林大學(xué)副教授王麗麗合作，總結(jié)了植物基功能材料應(yīng)用在綠色電子皮膚方面的進(jìn)展及挑戰(zhàn)，并從植物材料的生物學(xué)性能角度出發(fā)，對(duì)其作為支持材料、活性單元和結(jié)構(gòu)模板等未來的發(fā)展及商業(yè)化進(jìn)行了展望。研究成果發(fā)表在去年的《先進(jìn)功能材料》上。“在柔性器件研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界目前都主要處于基礎(chǔ)研究階段，沒有明顯的差距?！闭劶艾F(xiàn)階段柔性傳感器的發(fā)展，婁正告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。例如，當(dāng)前柔性傳感器如何模擬人類神經(jīng)正成為一個(gè)前沿領(lǐng)域，而這方面中國(guó)學(xué)者也已開始起步。

逐步推進(jìn)的產(chǎn)業(yè)化

雖然對(duì)柔性可穿戴傳感器的應(yīng)用前景充滿信心，不過沈國(guó)震和婁正并沒有諱言其產(chǎn)業(yè)化方面面臨的挑戰(zhàn)。

“柔性可穿戴傳感器的研究成果從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品還有一個(gè)過程?！眾湔嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，就技術(shù)本身而言，傳感器本身的穩(wěn)定性、耐磨損性等還需要進(jìn)一步提高。而從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的配套來說，柔性電路、柔性存儲(chǔ)，以及軟硬連接等環(huán)節(jié)也需要跟上。“總的來說，要想將其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都要再成熟一點(diǎn)?！鄙驀?guó)震也認(rèn)為，目前要想將所有的器件都變成柔性器件，是很困難的一件事。但是，不同的場(chǎng)景需要不同的柔性技術(shù)，因此可以根據(jù)人們的需求一步步地進(jìn)行推進(jìn)，例如率先在脈搏傳感器方面實(shí)現(xiàn)柔性化。

在這方面，沈國(guó)震對(duì)于與企業(yè)的合作充滿期待。不過，他認(rèn)為，鑒于目前我國(guó)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化方面所存在的實(shí)際難題，中國(guó)企業(yè)應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展出發(fā)，在小試和中試等前端環(huán)節(jié)加大對(duì)科學(xué)研究的投入，以確保成果進(jìn)入量產(chǎn)階段，并最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。