盘点：柔性可穿戴电子重要领域——非接触式传感器研究进展

（一）磁场感应

Nature Communications：双模式柔性电子皮肤，可实时切换接触/非接触式交互

（二）磁场感应

Advanced Functional Materials：柔性磁感应传感器，用于非接触式磁敏电子皮肤

人工磁感应技术是人类与周围环境互动的一种新途径，尚待探索。通过以柔软灵活的形式嵌入的薄膜磁场传感器可以构成磁敏电子皮肤，从而使这项技术成为可能。受平面内磁场敏感度的限制，磁敏感电子皮肤仅限于基本的接近度和角度感应，因此不能用作交互式可穿戴电子设备的开关或逻辑元件。

本文报道了一种基于柔性自旋阀开关的、用于皮外非接触式交互式电子设备的新型磁感应平台，该开关对平面外磁场具有敏感性。该技术依赖于Co/Pd基全金属的自旋阀，并带有具有垂直磁各向异性的合成反铁磁体。柔性磁传感器用作逻辑元件，即瞬时和永久（闩锁）开关。这些开关即使弯曲到小于3.5 mm的半径时也能保持其性能，并能承受数百次重复弯曲。在本文中，柔性开关被集成在皮肤上的交互式电子设备中，并表现出它们作为非接触式人机界面的性能，其使用直观、节能且对外部磁干扰不敏感。这项技术在质量上为电子皮肤提供了新的功能，并为成熟的皮肤上非接触式互动电子技术铺平了道路。

（三）电容感应

Science Advances：透明可拉伸柔性电子皮肤，可同时感测多种操作模式

未来，电子设备将变得更小、更轻和更多功能化。在不干扰人体运动的同时，可以将它们集成到我们的衣服中或皮肤上，以检测健康状况和人体运动。这些应用要求高度协调性，从而激发了人们对电子皮肤的研究兴趣。在传感方面，已实现触摸、拉伸、弯曲或触摸和拉伸的检测能力，但无法同时区分两者。理想情况下，可穿戴设备可以响应多种动作的同时操作，最大的挑战是如何解耦。

本文提出了一种可以感应手指接近的新型触觉传感器，包括可以感应在弯曲和拉伸过程中的触觉。其中使用了可拉伸的离子导电水凝胶电极，该电极将电场投射到传感器上方以与手指耦合并感应手指。聚丙烯酰胺电极嵌入硅树脂中，通过三步制造技术将这两种广泛使用的低成本透明材料组合成大面积器件。使用概念验证的4×4交叉栅格传感器阵列（间距为5mm）进行了演示：手指悬停在阵列上方几厘米时，就会被很容易检测到。轻触会导致电容局部降低15％。可以在整个阵列上跟踪手指的移动，并且可以检测多个位置。在弯曲和拉伸过程中依然可以检测到触觉，这是其他可穿戴设备所不能做到的。该电容传感器可以通过移动中性轴，来实现其敏感度变化。最后，这项技术适用于检测接近度、触觉、压力和复杂表面。

（四）电容感应

Nature Communications：可自修复的压阻/电容双模式电子皮肤，可实现接触感应和接近感应

人体皮肤具有出色的自修复能力，同时又具有多种触觉亚神经元的机械感受器。这些埋在皮肤下并延伸到表皮的机械感受器将触觉刺激传递给神经，使人体能够利用触觉来操纵物体、进行社交并对复杂的外部环境做出反馈。在过去十年中，为了模仿人类皮肤，电子皮肤已经从纯粹的虚构幻想迅速发展到多功能器件。这种人造皮肤在各种应用中具有巨大潜力。尽管已经报道了形式多样的触觉传感皮肤，但是制备一种集成化、自修复、检测接近感应并同时感知力方向的集成电子皮肤传感器材料仍然是一个挑战。

受到人体体感神经功能结构的启发，本文提出了一种使用三维（3D）金属丝电极作为“神经”的新结构，该电极嵌入了低模量但具有弹性的自修复泡沫中，该泡沫被称为人造神经功能泡沫（AiFoam）。与其他基于泡沫的传感器相比，此合成的自修复泡沫材料具有600 kPa的低模量，并且相对具有弹性，可为接触力传感提供恢复力。感应材料中的3D电极使AiFoam可以检测法向力和剪切力。通过将3D电极嵌入到独特的近渗金属颗粒泡沫复合材料中，研究人员证明了该传感器可以在压阻模式和电容模式下工作。AiFoam电子皮肤既可以同时检测人体触觉的接触感应和接近感应。

（五）摩擦电感应

Nano Energy：具有分层微纳米纹理的柔性透明传感器，可实现非接触式感应和控制

非接触式传感方法因其在人机交互，健康监测和医院医疗保健领域的巨大潜力而受到了广泛的关注，相比于接触式传感，非接触式在部分场合更加便利，而且无物理接触的交互可能有助于减少诸如COVID-19病毒等病原体传播的机会，因此通过非接触式方法控制电子设备是一个有应用前景的研究领域。以人体静电为天然信号源的非接触传感方式存在两个主要问题。一种是输出感应信号通常由于人体所携带的有限电荷而微弱，难以监测。另一个是导电感应电极通常依赖于刚性且不透明的金属阵列，不易与外部设备集成。从而需要一种柔性、透明的、输出信号高的非接触式传感器的创新设计。

本文报道了一种柔性、透明的自供能非接触式传感器。一方面，该传感器结构简单，由导电的用于感知外部刺激的传感层和基体支撑层两部分构成。采用四探针法检测由于手部移动引起的电荷在传感层表面的重新分布，实现基于手势的非接触式的传感与控制。这种双层结构具有通用性，其传感层可以选用氧化铟锡、铜等导电薄膜，支撑层可以选用玻璃、石英以及显示屏等。另一方面，受到高斯定理的启发，我们将氧等离子体刻蚀和前置掩膜版离子刻蚀两种工艺相结合，在传感层表面制备了二级的微纳复合结构，极大增加了比表面积，将传感器的输出信号提升了大约200%，从而为近场传感器提供了更高的灵敏度。即使在有障碍物的情况下，仍可以实现非接触式控制图片的翻动和缩放。以上研究不仅设计了一种具有通用性结构的非接触式传感器，还提出了一种用于增强近场感测信号的有效策略。

（六）电容感应

Advanced Materials：用于人机交互的柔性非接触式传感器

从传统的电器到蓬勃发展的智能机器人，人与机器之间的信息交换主要依赖于接触传感器。然而，这种接触互动可能会导致严重的问题，比如不可避免的机械磨损以及用户之间的细菌或病毒交叉感染，特别是在新冠肺炎大流行期间。因此，在远程在线检测和非接触控制系统中，革命性的非接触式人机交互是至关重要的。其中，由于空气中扩散的湿度场引起湿度变化，湿度传感器采用非接触式控制方式，避免了机械接触和细菌交叉感染。特别是，由柔性PA66聚合物和导电多层石墨烯（MG）组成的非接触式湿度传感器被认为是一种新型的非接触式控制系统，可以检测皮肤表面（如指尖）的水分，可以替代传统的接触式传感器，是人机交互和人工智能领域的重大突破。

本文提出了一种柔性高灵敏度湿度传感器和阵列，通过将MG锚定在电纺聚酰胺（PA）66上制成。该传感器通过实时监测呼吸频率和远程报警系统，以非接触式方式检测哮喘，并为卧床不起的患者提供非接触式送药界面。PA66纳米纤维网络较大的比表面积的物理结构和丰富的吸水官能团的化学结构有助于实现高性能的协同作用。这项工作可以引领一个无传染风险的非接触式人机界面的新时代，并为需要非接触式交互的智能电子产品的发展提供一种普遍而有效的策略。

（七）摩擦电感应

Advanced Functional Materials：用于非接触式手势识别的摩擦式传感器

智能人机界面（HMI）是在人与电子设备之间交换信息的重要介质。触摸屏传感器作为最重要的HMI设备之一，已被广泛地应用于日常生活的各种电子产品中。但是，电容式传感器作为最常用的触摸屏传感器，只能检测有限的手势（例如触摸和滑动）。

本文报道了一种摩擦电非接触式屏幕传感器（TSS），可通过利用人体自然携带的电荷来识别非接触操作模式下的各种手势。与传统的电容式传感器相比，TSS能够检测各种手势，例如以不同的速度放下手指和抬起手指、握拳、张开手掌和翻转手掌的方向不同。基于TSS，进一步开发了智能非接触式屏幕控制系统，该系统用于通过非接触式操作模式解锁智能手机界面。这项研究首次提出了以人体本身参与摩擦电自供电非接触式感应的概念，并提供了非接触式设计概念来开发下一代屏幕传感器。它将改变人们操作个人电子产品的常用方式。

（八）电容感应

ACS Appl. Mater. Interfaces：透明可拉伸电子皮肤，可分辨压力与接近式感测

模仿人类皮肤感知功能的电子皮肤将彻底改变人类与技术互动的方式，并为在各个领域中应用带来巨大潜力。在多种感测功能中，压力感测和接近感测尤其重要。前者有助于监视和控制所施加的压力信号，而后者则能够以非接触模式感知接近物体的距离、形状和位置，从而提供早期警报或及时反馈。特别地，具有压力和接近感测能力的电容式传感器由于其简单的结构、抗温度干扰和低功耗等特性而备受关注。

本文基于透明的聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）/单壁碳纳米管（SWCNT）混合电极，实现了可分辨应变下的压力/接近感测。PEDOT:PSS/SWCNT混合电极不仅具有透明电子皮肤的高度可拉伸性，还使双材料电导率转换机制能够识别不同拉伸应变状态下的压力/接近度。结果表明，无论e-皮肤的拉伸状态如何，都可以实现精确的压力/接近度检测。PEDOT:PSS/SWCNT作为e-皮肤的弹性电极材料具有广阔的应用前景。

（九）电容感应

ACS Nano：隔空弹琴！复合纤维基传感器用于压力和接近度的高灵敏度检测

作为下一代智能设备的关键部件，电子皮肤正变得越来越轻巧、灵活、多功能和舒适。直接将现成的电子产品贴合在传统面料的表面的策略在灵活性、舒适性、透气性等仍存在诸多妥协。而将功能性电子纤维本身作为电子设备或组装在一起，可以在保持所需纺织品质量的同时，在人机界面中提供一种实用的方法。电子系统通过物理接触（触摸交互）/无物理接触的跟踪和监控（非接触交互）与环境交互。触摸传感对于机器人灵巧地操纵物体并安全地与人类互动至关重要，在操纵过程中感知物体的形状、硬度、纹理和滑动，而与附近环境的互动需要基于非接触模式的传感器，这种传感器可以“看到”非接触物体的存在与否。由于结构的复杂性，现有功能性纤维的厚度远远不能令人满意，从而限制了大规模生产和可纺性。因此，迫切需要构建简单的基于功能细纤维的双模传感系统。

本文报道了一种分级多孔的银纳米线（AgNWs）-细菌纤维素纤维（BC），它可以用于灵敏地检测人类手指的压力和接近程度。采用连续湿法纺丝，以20 m/min的速度连续纺丝，制得直径53 μm、导电率1.3×104S/cm、拉伸强度198 MPa、断裂伸长率3.0%的导电纤维。用10 μm厚的聚二甲基硅氧烷介电弹性体同轴涂覆纤维，形成比人头发还细的纤维传感元件，具有超薄的多孔芯−壳层结构。将两根传感纤维对角铺设，测量了导电芯之间的电容随压力和间距的变化。在接触模式下，纤维传感器在0~460 kPa的压力范围内呈现单调电容增加，在低压力（<0.5kPa）下获得了5.49 kPa-1的高灵敏度线性响应。在非接触模式下，传感器对距离达30厘米处的物体高度敏感。此外，这种纤维可以很容易地缝合到衣服上，作为检测心跳和声音脉冲的舒适和时尚的传感器。纤维传感器阵列能够充当非接触式钢琴来播放音乐并准确地确定物体的接近程度。