??柔性傳感器在健康與人機交互等方面具有不可替代的應(yīng)用。當(dāng)前雖然已開發(fā)出多種類型的柔性傳感器，但是目前的很多柔性傳感器都需要整合外部電源。這已成為柔性傳感器發(fā)展的重要瓶頸。為解決這個問題，一種常見的、較為成熟的方法是將光伏電池等做成非常規(guī)的幾何形狀，以實現(xiàn)薄型、可彎曲和可拉伸的設(shè)計，其生產(chǎn)過程需要用到微加工技術(shù)，能耗較高，步驟多，因而發(fā)展受到限制。此外，壓電材料、熱電材料等也被用來構(gòu)筑自供能柔性傳感器。這類自供能設(shè)計能避免剛性供電器件整合的問題，但是這類傳感器往往只能對某一刺激，比如壓力，產(chǎn)生響應(yīng)。近年來，原電池型自供能柔性傳感器也得到了一定的發(fā)展。這類柔性傳感器利用電解質(zhì)材料的精心設(shè)計與電極反應(yīng)可實現(xiàn)對多種刺激信號的響應(yīng)。但是基于原電池的柔性自供能傳感器在成型制造方面仍較為繁瑣，且在無接觸動作傳感等方面的應(yīng)用也鮮有報道。

圖1. 柔性自供能傳感器的設(shè)計、制造與應(yīng)用

??為此，寧波大學(xué)翁更生教授團隊基于前期在原電池型柔性自供能傳感器方面的研究，開發(fā)出了基于3D打印的多重刺激響應(yīng)性柔性自供能傳感器。如圖1所示，柔性自供能傳感器由3D打印的PAA水凝膠作為電解質(zhì)層，3D打印的Cu2+-Ala動態(tài)配位交聯(lián)的PDA/Cu2+/Cu水凝膠作為負(fù)極層。在PAA水凝膠底層浸潤KMnO4并最終轉(zhuǎn)化成MnO2，從而構(gòu)成正極層。進一步通過組裝石墨薄膜電極，得到柔性自供能傳感器。該傳感器可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測、物體識別、及無接觸手勢識別等方面。

圖2. 柔性自供能用于監(jiān)測不同載荷作用模式

圖3. 傳感器在人體活動與呼吸監(jiān)測方面的應(yīng)用

??如圖2所示為該傳感器的外力響應(yīng)性分析，可以發(fā)現(xiàn)在拉伸、彎曲、壓縮、沖擊等不同載荷作用模式下，該傳感器表現(xiàn)出不同的電流信號，因此對載荷作用具有識別性。研究表明，這種傳感器在載荷長期動態(tài)作用下也能保持較為穩(wěn)定的信號輸出。如圖3所示，基于對力的傳感性，可通過與紡織物的復(fù)合，用于人體活動的監(jiān)測。基于電極反應(yīng)的溫度敏感性，該傳感器還能用于人體呼吸的監(jiān)測。如圖3所示，用于呼吸監(jiān)測的傳感器被3D打印成鏤空結(jié)構(gòu)以增加氣流與傳感器的接觸面積。監(jiān)測結(jié)果表明，傳感器可準(zhǔn)確確定呼吸頻率、呼吸力度。通過深入研究表明，傳感信號主要來自氣流溫度的變化，且具有較好的信號穩(wěn)定性。此外，通過柔性傳感器在柔性抓手上的陣列分布，還可用于抓取物體的幾何尺寸識別。

圖4.基于溫度傳感的手勢識別

??最后，作者發(fā)現(xiàn)該柔性傳感器具有高度的溫度傳感性。實驗表明，最大有效溫度監(jiān)測距離可達175 mm。將15個柔性傳感器安裝于如圖4所示的監(jiān)測結(jié)構(gòu)中，每一個傳感器作為一個傳感通道，并通過數(shù)據(jù)圖像轉(zhuǎn)換，得到溫度的二維面信號變化。測試表明，當(dāng)以不同的手勢伸進傳感裝置即可得到不同的二位圖像信息，不同的圖像信息對映不同的手勢。

以上研究成果以“Self-powered and 3D Printable Soft Sensor for Human Health Monitoring, Object Recognition, and Contactless Hand Gesture Recognition”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials（Doi: 10.1002/adfm.202411172）。論文第一作者為寧波大學(xué)材化學(xué)院碩士生唐敬植，通訊作者為寧波大翁更生教授。本研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目（22175100），浙江省自然科學(xué)基金（LY22E030001）與寧波市自然科學(xué)基金（2022J102）的資助。

??文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202411172

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