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“柔性時代”來臨 柔性可穿戴傳感器正向產業化方向發展

時間:2019年03月14日來源:中國科學報作者:

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研究向產業化方向發展。當地時間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的可折疊手機。

  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研究向產業化方向發展。當地時間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,成為業內人士的共識。

  “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研究向產業化方向發展。

  應用場景驅動的研發

  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?!?009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域的諸多應用。其中,面向人工智能和健康監控的柔性可穿戴傳感器一直是其團隊研究的重點,有關柔性觸覺傳感、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域的研究成果先后發表在《先進材料》《中國科學》等國內外學術期刊上?!拔覀冞@些年的工作是以需求為牽引的,依據柔性傳感器的應用場景開展相應的研發工作?!鄙驀鹂偨Y說。

  作為最近發表在《中國科學》上一篇有關柔性、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的濕度傳感器、數據手套,以及即將發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,隨著信息技術的不斷進步,人們對發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備中,經過分析和提取,幫助醫生進行診斷。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,可以實現對外界環境的感知,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域,這是好事,對于領域的發展和產業化至關重要?!鄙驀鹫f。不過,他提醒道,“在學術研究領域,不能過于追求熱度,特別是年輕的科研人員,要扎根某一領域,埋頭苦干,進行必要的科研積累?!?/P>

  從靈敏度到透明性

  信息技術的未來發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、信息數據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、穩定性、均勻性,并在此基礎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。

  以他們最近發表在《中國科學》上有關柔性、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構銀納米線/PDMS復合電介質層材料的柔性透明電容式壓力傳感器。與采用純PDMS平面結構的電介質層器件相比,有微結構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構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。對可穿戴電子設備來說,采用簡易制備技術得到的具有高靈敏度、快速響應的壓力傳感器至關重要?!拔覀兊难芯拷Y果表明,壓力傳感器在未來的電子皮膚領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有機結合,以天然材料為重要材料,建立各種新型功能化微納結構、器件與集成系統,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,并從植物材料的生物學性能角度出發,對其作為支持材料、活性單元和結構模板等未來的發展及商業化進行了展望。研究成果發表在去年的《先進功能材料》上?!霸谌嵝云骷芯糠矫?,國內外學術界目前都主要處于基礎研究階段,沒有明顯的差距?!闭劶艾F階段柔性傳感器的發展,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正成為一個前沿領域,而這方面中國學者也已開始起步。

  逐步推進的產業化

  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業化方面面臨的挑戰。

  “柔性可穿戴傳感器的研究成果從實驗室到產品還有一個過程?!眾湔嬖V《中國科學報》,就技術本身而言,傳感器本身的穩定性、耐磨損性等還需要進一步提高。而從整個產業鏈的配套來說,柔性電路、柔性存儲,以及軟硬連接等環節也需要跟上?!翱偟膩碚f,要想將其大規模產業化,整個產業鏈都要再成熟一點?!鄙驀鹨舱J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,因此可以根據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柔性化。

  在這方面,沈國震對于與企業的合作充滿期待。不過,他認為,鑒于目前我國科技成果轉移轉化方面所存在的實際難題,中國企業應從長遠發展出發,在小試和中試等前端環節加大對科學研究的投入,以確保成果進入量產階段,并最終實現大規模的產業化。

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