近年來，柔性電子可在人體皮膚表面實(shí)現(xiàn)穿戴式實(shí)時(shí)連續(xù)信號(hào)采集和處理，已成為運(yùn)動(dòng)健康管理、疾病診斷監(jiān)護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、人機(jī)智能交互等領(lǐng)域變革式的科學(xué)技術(shù)及各個(gè)國(guó)家重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。柔性傳感器作為柔性電子的核心部件之一，影響并決定著可穿戴式智能設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展。當(dāng)前，絕大部分柔性傳感器在對(duì)物理信號(hào)（壓力/拉伸、慣性力、生物電、溫度、光學(xué)等）的采集中實(shí)現(xiàn)了廣泛的研究和較為成熟的應(yīng)用。然而，用于生物化學(xué)信號(hào)（分子水平的氣體、生物代謝物分子等）檢測(cè)的柔性傳感器研究依然面臨著諸多挑戰(zhàn)。
大自然，自古以來就是人類各種科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)思想和發(fā)明原理的源泉。生物經(jīng)過漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程，擁有對(duì)外界環(huán)境信息接收、傳遞和控制的強(qiáng)大系統(tǒng)，很多功能是迄今為止任何人工制造無法匹敵的。例如，目前作為科學(xué)技術(shù)前沿研究領(lǐng)域之一的柔性傳感器，相比生物的柔性感官系統(tǒng)（嗅覺、味覺、觸覺、視覺和聽覺），仍然存在巨大的差距。因此，“仿生”的理念和方法，將為柔性傳感器及柔性電子領(lǐng)域的研究發(fā)展提供豐富的思路和設(shè)計(jì)原理。
近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì)在柔性仿生生物化學(xué)傳感器領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。通過模仿自然界生物體對(duì)外部生物化學(xué)分子刺激所產(chǎn)生的智能動(dòng)態(tài)、可調(diào)控的響應(yīng)特性，研究開發(fā)了一種對(duì)環(huán)境有機(jī)揮發(fā)性氣體（VOCS）動(dòng)態(tài)雙響應(yīng)的柔性傳感器（Bioinspired Flexible Volatile Organic Compounds Sensor Based on Dynamic Surface Wrinkling with Dual-Signal Response,Small, 2019, 1900216；內(nèi)封面），和一種傳感性能程序化可調(diào)的可拉伸柔性葡萄糖電化學(xué)傳感器（Rhinophore Bio-inspired Stretchable and Programmable Electrochemical Sensor,Biosensors and Bioelectronics, 2019, 142, 111519）。
自然界中存在對(duì)有機(jī)揮發(fā)性氣體（VOCS）刺激響應(yīng)現(xiàn)象，例如，人體皮膚長(zhǎng)時(shí)間暴露于乙醇?xì)怏w中，表面會(huì)形成褶皺，如下圖1（A）所示。受此啟發(fā)，張珽研究員團(tuán)隊(duì)利用聚合物薄膜材料對(duì)VOCS溶脹能力的差異，并創(chuàng)新性地引入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)薄膜設(shè)計(jì)，研究開發(fā)了基于（AgNWs）/SiOx/PDMS 多層膜傳感系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)能夠?qū)?span>VOCS實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可逆的透明度和電阻雙信號(hào)響應(yīng)特性，如圖1（B）所示。傳感響應(yīng)機(jī)制源于有機(jī)高分子材料溶劑溶脹原理和褶皺形成原理：VOCS分子進(jìn)入聚合物中克服高分子間內(nèi)聚能，高分子鏈與VOCS分子混合導(dǎo)致高分子鏈被拉開，聚合物呈現(xiàn)體積脹大現(xiàn)象；由于SiOx和PDMS的溶度參數(shù)δp與VOCS的溶度參數(shù)δs三者之間的差異，根據(jù)|δp-δs|≤3.5J1/2cm3/2的原則，SiOx層在VOCS分子中溶脹成都遠(yuǎn)大于PDMS層，由此產(chǎn)生的界面壓縮應(yīng)力和材料模量的差異相互作用，致使薄膜表面形成褶皺機(jī)構(gòu)。基于上述傳感機(jī)制，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙醇?xì)怏w高選擇性、動(dòng)態(tài)可切換的透明度和電阻變化。通過調(diào)控薄膜材料參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器靈敏度和選擇性的可調(diào)性。研究團(tuán)隊(duì)初步構(gòu)建了一種對(duì)乙醇?xì)怏w具有雙信號(hào)響應(yīng)的智能可穿戴柔性傳感器（圖1（C）和（D）），該柔性可穿戴智能傳感器系統(tǒng)兼具動(dòng)態(tài)的視覺反饋和定量的電學(xué)信號(hào)，為基于化學(xué)分子響應(yīng)的智能界面制備和研究提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、可穿戴柔性電子等領(lǐng)域潛在的應(yīng)用前景。
上述工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，江蘇省杰出青年基金等支持。上述兩篇文章第一作者為王書琪博士，碩士研究生曲春燕參與了以上工作。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201900216
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566319305986
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