作為柔性手機的重要組成部分，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?shù)貢r間2月24日，西班牙巴塞羅那，華為可折疊智能手機“Mate X”以高達2299歐元(約合人民幣1.7萬元)的售價在人們的期待中亮相于世界移動通信大會(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。
“柔性時代”已然來臨，折疊屏將是2019年手機市場熱點之一，成為業(yè)內(nèi)人士的共識。
“普通公眾的理解是，可折疊手機就是屏幕是柔性的手機，但事實并不是這樣的?！苯?，在接受采訪時，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員沈國震表示：“如果想實現(xiàn)手機任意角度的可折疊和彎曲，手機上所有的器件都要具備這一功能?！倍鳛槿嵝允謾C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。
應用場景驅(qū)動的研發(fā)
在沈國震的名片上，有這樣一行字：“研究興趣：低維半導體材料與柔性電子器件。”2009年美國訪學歸來后，沈國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隊研究的重點，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《先進材料》《中國科學》等國內(nèi)外學術(shù)期刊上?！拔覀冞@些年的工作是以需求為牽引的，依據(jù)柔性傳感器的應用場景開展相應的研發(fā)工作。”沈國震總結(jié)說。
作為最近發(fā)表在《中國科學》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，沈國震團隊成員、中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室副研究員婁正向《中國科學報》詳細介紹了他們研發(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)的不斷進步，人們對發(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)生進行診斷。此外，通過在人類假肢或機器人上貼附相應柔性傳感器及傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對外界環(huán)境的感知，獲得多自由度的超級操控。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。很多人開始進入這一領(lǐng)域，這是好事，對于領(lǐng)域的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要?！鄙驀鹫f。不過，他提醒道，“在學術(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，進行必要的科研積累。”
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，從而達到對物理世界、信息數(shù)據(jù)以及人類社會資源的綜合高效利用?；谶@一目標，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)上進一步擴展其功能，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《中國科學》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，他們也對導電填料含量和微結(jié)構(gòu)的增強傳感機理進行了討論，還研制了一個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)。對可穿戴電子設(shè)備來說，采用簡易制備技術(shù)得到的具有高靈敏度、快速響應的壓力傳感器至關(guān)重要。“我們的研究結(jié)果表明，壓力傳感器在未來的電子皮膚領(lǐng)域具有良好的應用前景?！眾湔f。
近年來，將生物材料與柔性電子技術(shù)有機結(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，他們與吉林大學副教授王麗麗合作，總結(jié)了植物基功能材料應用在綠色電子皮膚方面的進展及挑戰(zhàn)，并從植物材料的生物學性能角度出發(fā)，對其作為支持材料、活性單元和結(jié)構(gòu)模板等未來的發(fā)展及商業(yè)化進行了展望。研究成果發(fā)表在去年的《先進功能材料》上?！霸谌嵝云骷芯糠矫?，國內(nèi)外學術(shù)界目前都主要處于基礎(chǔ)研究階段，沒有明顯的差距。”談及現(xiàn)階段柔性傳感器的發(fā)展，婁正告訴《中國科學報》。例如，當前柔性傳感器如何模擬人類神經(jīng)正成為一個前沿領(lǐng)域，而這方面中國學者也已開始起步。
逐步推進的產(chǎn)業(yè)化
雖然對柔性可穿戴傳感器的應用前景充滿信心，不過沈國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驗室到產(chǎn)品還有一個過程?！眾湔嬖V《中國科學報》，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一步提高。而從整個產(chǎn)業(yè)鏈的配套來說，柔性電路、柔性存儲，以及軟硬連接等環(huán)節(jié)也需要跟上?！翱偟膩碚f，要想將其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，整個產(chǎn)業(yè)鏈都要再成熟一點。”沈國震也認為，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行推進，例如率先在脈搏傳感器方面實現(xiàn)柔性化。
在這方面，沈國震對于與企業(yè)的合作充滿期待。不過，他認為，鑒于目前我國科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化方面所存在的實際難題，中國企業(yè)應從長遠發(fā)展出發(fā)，在小試和中試等前端環(huán)節(jié)加大對科學研究的投入，以確保成果進入量產(chǎn)階段，并最終實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。
