中科院深圳先进院孙洪岩团队Nano Energy ：开发自供电柔性触觉传感器——利用化学电池反应探测静态与动态刺激

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所传感中心孙洪岩副研究员团队在中科院一区（IF：17.6）期刊《Nano Energy》上发表了题为A self-powered flexible tactile sensor utilizing chemical battery reactions to detect static and dynamic stimuli的研究。该团队提出了一种基于化学电池反应的自供电柔性触觉传感器，用于动态和静态机械刺激检测。本文李森博士为第一作者，孙洪岩副研究员为唯一通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院为第一单位。

柔性和可穿戴的触觉传感器在健康监测、人机交互等领域的重要性日益凸显。传统的电阻式或电容式传感器虽然广泛应用，但其仍需外部电源持续供能，而压电式和摩擦电式传感器则仅对动态机械刺激做出响应。为了克服这些限制，研究人员一直在探索开发无需外部电源、能够同时监测动态和静态机械刺激的触觉传感器。

为了解决上述问题，本团队通过简单的结构设计，将纸质基底的固态Zn-MnO2电池转变为自供电压力传感器。作为电池，其展现出了1.29 V的开路电压、2.8 mA/cm²的最高短路电流密度，足以为小型电子器件供电。作为自供电压力传感器，其具有较高的灵敏度，在0-25 kPa范围内平均为1.27 μA/kPa，在25-500 kPa范围内平均为0.14 μA/kPa，响应时间为42 ms，恢复时间为41 ms，最小压力分辨率达到数十帕斯卡，且具有长期重复性和稳定性。该工作将极大地促进智能，自供电触觉传感器的进一步发展，广泛应用于人类健康护理和检测静态/动态刺激的人机界面等领域。

该研究的亮点：传感器的制备过程简单、环保，利用了纸张作为柔性的基底材料，不仅成本低廉，而且具有可降解性。这种纸基电池不仅能够为小型电子设备提供动力，还能够在各种形状和尺寸下实现高度敏感的动态/静态压力检测。该传感器有望在极端环境下智能机器人搜救、健康监测、物体识别等领域发挥重要作用，为自供电柔性电子设备的研究开辟新的道路。

本工作得到了广东省基础与应用基础研究基金（面上项目）区域联合基金（青年项目）、国自然青年基金、光明实验室开放课题基金等项目的支持。

图文导读

图1. a) 器件设计和制备流程图；b) 电池的横截面SEM图像；c) 压力传感器的横截面SEM图像；d) 器件的光学照片及各层材料表面形貌的SEM图像；e) 基于纸质器件的多种形状照片。f) 自供电压力传感器的工作原理示意图；g) 基于压力的电流变化曲线示意图。

图2. 偏中性柔性电池在不同质量比a) NH4Cl和b) (CH3COO)2Zn下的开路电压和短路电流密度；c) 恒流放电曲线；d) 单节、两串联和三串联电池的开路电压曲线；e) 柔性电池在不同机械变形下的开路电压曲线；f) 电池在0.2 mA/cm²恒流充放电循环曲线；g) 电池在不同状态下驱动电子表。

图3. a) 自供电压力传感器电流-压力曲线；b) 不同静态压力刺激下的电流变化；c) 自供电压力传感器在0.5 Hz到8 Hz不同动态刺激下的电流变化；d) 响应时间和恢复时间；e) 检测限；f) 重复性和稳定性。

图4. a) 在恶劣环境中机器人监测人类生命体征的示意图；b) 脉搏监测；c) 鼠标在单击和双击动作下对应的电流信号；d) 压力传感器对早期帕金森病模拟敲门的实时感测信号；e) 集成到鞋垫中的压力传感器用于监测步态运动；f) 自供电柔性视觉-触觉设备。

图5 a) 自供电压力传感器矩阵的分解视图；b) 自供电压力传感器矩阵照片；c) 传感矩阵的读出电路；d) 用于识别字母"S"、"I"、"A"和"T"的压力传感矩阵；e) 用于在握瓶时操作过程中监测压力分布的传感矩阵。