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“柔性时代”来临 柔性可穿戴传感器正向产业化方向发展

时间:2019年03月14日来源:中国科学报作者:

作为柔性手机的重要组成部分,柔性可穿戴传感器正在从基础研究向产业化方向发展。当地时间2月24日,西班牙巴塞罗那,华为可折叠智能手机“Mate X”以高达2299欧元(约合人民币1.7万元)的售价在人们的期待中亮相于世界移动通信大会(MWC)。此前,柔宇、三星、小米也相继展示了其研发的可折叠手机。

  作为柔性手机的重要组成部分,柔性可穿戴传感器正在从基础研究向产业化方向发展。当地时间2月24日,西班牙巴塞罗那,华为可折叠智能手机“Mate X”以高达2299欧元(约合人民币1.7万元)的售价在人们的期待中亮相于世界移动通信大会(MWC)。此前,柔宇、三星、小米也相继展示了其研发的可折叠手机。

  “柔性时代”已然来临,折叠屏将是2019年手机市场热点之一,成为业内人士的共识。

  “普通公众的理解是,可折叠手机就是屏幕是柔性的手机,但事实并不是这样的。”近日,在接受采访时,中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员沈国震表示:“如果想实现手机任意角度的可折叠和弯曲,手机上所有的器件都要具备这一功能。”而作为柔性手机的重要组成部分,柔性可穿戴传感器正在从基础研究向产业化方向发展。

  应用场景驱动的研发

  在沈国震的名片上,有这样一行字:“研究兴趣:低维半导体材料与柔性电子器件。”2009年美国访学归来后,沈国震就将柔性电子器件作为自己专注的研究方向,并从柔性电池起步,涉猎了柔性晶体管、传感器等可穿戴电子领域的诸多应用。其中,面向人工智能和健康监控的柔性可穿戴传感器一直是其团队研究的重点,有关柔性触觉传感、柔性成像阵列、生物传感、气体传感以及多功能传感集成等领域的研究成果先后发表在《先进材料》《中国科学》等国内外学术期刊上。“我们这些年的工作是以需求为牵引的,依据柔性传感器的应用场景开展相应的研发工作。”沈国震总结说。

  作为最近发表在《中国科学》上一篇有关柔性、透明的电容式压力传感器论文的作者之一,沈国震团队成员、中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室副研究员娄正向《中国科学报》详细介绍了他们研发的湿度传感器、数据手套,以及即将发表论文的钢琴手套等诸多可穿戴柔性传感器的过程。他告诉记者,随着信息技术的不断进步,人们对发展高性能柔性传感器的需求也在不断增加。人们希望传感器件可以舒适地穿戴在身上,或者直接贴附在皮肤表面,从而能够获得血压、血糖、脉搏等一系列健康信息,并将这些信息收集到智能设备中,经过分析和提取,帮助医生进行诊断。此外,通过在人类假肢或机器人上贴附相应柔性传感器及传感系统,可以实现对外界环境的感知,获得多自由度的超级操控。这些都使未来的人类生活更具想象空间。

  “正因如此,这几年柔性电子研究非常热。很多人开始进入这一领域,这是好事,对于领域的发展和产业化至关重要。”沈国震说。不过,他提醒道,“在学术研究领域,不能过于追求热度,特别是年轻的科研人员,要扎根某一领域,埋头苦干,进行必要的科研积累。”

  从灵敏度到透明性

  信息技术的未来发展方向是通过人与外部信息交互融合,从而达到对物理世界、信息数据以及人类社会资源的综合高效利用。基于这一目标,他们从柔性传感器的性能切入,逐步提高其灵敏度、稳定性、均匀性,并在此基础上进一步扩展其功能,使之具备透明性、生物兼容性、拉伸性、自愈性等更多的性能。

  以他们最近发表在《中国科学》上有关柔性、透明的电容式压力传感器的论文为例。在这一获得了自然科学基金资助的成果中,他们成功研制了一种基于特殊微结构银纳米线/PDMS复合电介质层材料的柔性透明电容式压力传感器。与采用纯PDMS平面结构的电介质层器件相比,有微结构的传感器具有更高的灵敏度、更低的检测范围,以及更好的稳定性和耐久性。

  此外,在论文中,他们也对导电填料含量和微结构的增强传感机理进行了讨论,还研制了一个5×5的传感器阵列,并用于柔性透明的可穿戴式触摸键盘系统。对可穿戴电子设备来说,采用简易制备技术得到的具有高灵敏度、快速响应的压力传感器至关重要。“我们的研究结果表明,压力传感器在未来的电子皮肤领域具有良好的应用前景。”娄正说。

  近年来,将生物材料与柔性电子技术有机结合,以天然材料为重要材料,建立各种新型功能化微纳结构、器件与集成系统,已成为柔性电子重要的前沿研究方向之一。在这方面,他们与吉林大学副教授王丽丽合作,总结了植物基功能材料应用在绿色电子皮肤方面的进展及挑战,并从植物材料的生物学性能角度出发,对其作为支持材料、活性单元和结构模板等未来的发展及商业化进行了展望。研究成果发表在去年的《先进功能材料》上。“在柔性器件研究方面,国内外学术界目前都主要处于基础研究阶段,没有明显的差距。”谈及现阶段柔性传感器的发展,娄正告诉《中国科学报》。例如,当前柔性传感器如何模拟人类神经正成为一个前沿领域,而这方面中国学者也已开始起步。

  逐步推进的产业化

  虽然对柔性可穿戴传感器的应用前景充满信心,不过沈国震和娄正并没有讳言其产业化方面面临的挑战。

  “柔性可穿戴传感器的研究成果从实验室到产品还有一个过程。”娄正告诉《中国科学报》,就技术本身而言,传感器本身的稳定性、耐磨损性等还需要进一步提高。而从整个产业链的配套来说,柔性电路、柔性存储,以及软硬连接等环节也需要跟上。“总的来说,要想将其大规模产业化,整个产业链都要再成熟一点。”沈国震也认为,目前要想将所有的器件都变成柔性器件,是很困难的一件事。但是,不同的场景需要不同的柔性技术,因此可以根据人们的需求一步步地进行推进,例如率先在脉搏传感器方面实现柔性化。

  在这方面,沈国震对于与企业的合作充满期待。不过,他认为,鉴于目前我国科技成果转移转化方面所存在的实际难题,中国企业应从长远发展出发,在小试和中试等前端环节加大对科学研究的投入,以确保成果进入量产阶段,并最终实现大规模的产业化。

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