2010年代末柔性电子设备的商业化标志着柔性电子时代的到来，软多功能传感器作为核心组件成为研究热点。本文概述其最新趋势与未来十年发展方向：首先阐明其核心特性（如多刺激响应、可拉伸性）与目标检测对象（应变、温度等）；其次提出材料选择标准（导电性、生物相容性等）；进而分析新兴材料（水凝胶、液态金属）与结构设计（仿生、异质集成）。基于当前进展，未来研发将聚焦四大方向：多重刺激信号解耦技术、边缘数据处理能力、超薄皮肤贴合性及自供能解决方案。文末探讨了技术挑战（长期稳定性、规模化生产）与潜在应用机遇（医疗监测、智能机器人）。
物联网的普及凸显了传感器在连接物理与数字世界中的关键作用。传统刚性传感器因无法适应曲面和多功能检测而受限，促使软多功能传感器通过纳米结构创新实现突破。其优势在于：可共形贴附任意表面，同步检测压力、温度等多种刺激，并涵盖电阻/电容等九类传感机制，各具特色（如电容式高线性度、摩擦电式自供电）。过去十年研究集中于提升灵敏度、响应速度等基础性能参数，但对新兴趋势（如可降解材料、AI驱动传感）的系统性分析不足。本文旨在填补该空白，为下一代柔性传感技术提供前瞻性指导。
 
 
图1. 软多功能传感器的演变与未来方向
解析：
‌图1‌展示了软多功能传感器的演变历程以及未来的发展方向。该图通过时间轴的方式，形象地描绘了软多功能传感器从过去到现在的技术进步，并预测了其未来的发展趋势。
‌演变历程‌：
· ‌早期阶段‌：软多功能传感器技术可能处于萌芽状态，主要关注于单一功能的实现和基础材料的研究。
· ‌发展阶段‌：随着材料科学和纳米技术的进步，传感器开始具备多功能性，能够检测多种外部刺激，并且其灵活性和适应性也得到了显著提升。
· ‌当前阶段‌：软多功能传感器技术已经相对成熟，广泛应用于物联网、医疗健康、智能穿戴等领域，实现了与人体和环境的紧密互动。
‌未来方向‌：
‌多重刺激解耦‌：未来的软多功能传感器将能够更精准地识别和分离多种混合刺激，提高检测的准确性和可靠性。
· ‌数据处理‌：传感器将集成更强大的数据处理能力，能够直接在设备端进行数据分析，减少数据传输量，提高响应速度。
· ‌皮肤贴合性‌：通过采用新型材料和仿生设计，传感器将更加贴合人体皮肤，实现长时间、无感的穿戴体验。
· ‌能源供应‌：自供电技术将成为未来软多功能传感器的重要发展方向，通过收集环境能量（如人体运动、太阳能等）为传感器提供持续稳定的电力供应。
‌总结‌：图1不仅回顾了软多功能传感器的发展历程，还展望了其未来的发展方向，为相关领域的研究人员提供了重要的参考和启示。随着技术的不断进步，软多功能传感器将在更多领域发挥重要作用，为人类带来更加智能、便捷的生活方式。
 
 
‌图2. 软多功能传感器的主要目标检测刺激物‌
a) 电阻式传感器的ΔR/R0与施加应变的关系曲线（经版权许可转载，[108] 版权归属美国化学学会 2021）。
b) 摩擦电传感器的电压输出与施加压力的关系曲线（经版权许可转载，[112] 版权归属 Wiley-VCH 2022）。
c) 振动条件下电容式传感器的电压输出波形及频谱（经版权许可转载，[29] 版权归属 Springer Nature 2019）。
d) 电阻式传感器的ΔR/R0与温度变化的关系曲线（经版权许可转载，[9] 版权归属 Wiley-VCH 2021）。
e) 电容式传感器电容输出与相对湿度（RH）的关系曲线（经版权许可转载，[40] 版权归属 Wiley-VCH 2019）。
f) 摩擦电传感器对Na⁺、K⁺和Ca²⁺离子的选择性检测能力（经版权许可转载，[129] 版权归属 Wiley-VCH 2022）。
解析：
‌核心术语精准对应
· ‌"Major target stimuli"‌ → ‌"主要目标检测刺激物"‌：
呼应正文第2章标题（主要目标刺激物），涵盖应变、压力、振动、温度、湿度、生化标志物六大类。
· ‌"ΔR/R0"‌ 保留原符号：
电阻式传感器的标准性能表征指标（电阻相对变化率），无需翻译。
· ‌"RH"‌ → ‌"相对湿度"‌：
符合工程领域规范（Relative Humidity）。
‌图表内容与正文关联‌
图2通过六组实验数据实证正文所述目标刺激物：
· ‌a项‌（应变检测）→ 对应正文2章"应变"刺激
· ‌b项‌（压力检测）→ 对应"压力"刺激（摩擦电机制见正文1章）
· ‌c项‌（振动检测）→ 对应"振动"刺激（频谱分析强化检测精度）
· ‌d项‌（温度检测）→ 对应"温度"刺激
· ‌e项‌（湿度检测）→ 对应"湿度"刺激（RH为专业缩写）
· ‌f项‌（离子检测）→ 对应"生化标志物"中的电解质离子
‌学术规范处理
· ‌版权声明统一格式‌：
采用"经版权许可转载，[编号] 版权归属 XXX 年份"结构，符合中文文献引用规范。
· ‌出版机构译名‌：
"American Chemical Society" 译作"美国化学学会"，"Wiley-VCH" 和 "Springer Nature" 保留原名体现国际权威性。
‌技术细节强化准确性
· ‌b项‌：强调"摩擦电传感器"（正文1章所述自供电机制之一）
· ‌f项‌：用"选择性检测能力"点明离子传感器的核心优势（避免交叉敏感）
· ‌c项‌：补充"波形及频谱"说明振动检测的多维度信号特征
补充说明：
该图表系统性地验证了软多功能传感器的 ‌多刺激响应能力‌，其设计隐含两大技术逻辑：‌传感机制适配性‌：
机械刺激（应变/压力/振动）→ 电阻/电容/摩擦电机制
· 环境刺激（温度/湿度）→ 电阻/电容机制
· 生化刺激（离子）→ 摩擦电机制（创新应用）
· ‌性能可视化‌：
曲线图（a,b,d,e）强调连续响应特性 → 适用于量化检测
频谱图（c）突出动态响应 → 适用振动频率分析
多离子对比图（f）验证选择性 → 解决信号串扰问题
 
 
图3. 软多功能传感器的选择标准‌
解析：
‌图表内容推断（基于正文第3章）‌
该图预计系统化展示传感器设计的核心评估维度：
· ‌核心性能参数‌
灵敏度（如最小可检测压力）、检测范围（如0-100 kPa）、线性度（响应曲线拟合度）、响应/恢复时间（毫秒级动态性能）
· ‌物理特性‌
尺寸（微型化需求）、柔性/可拉伸性（弯曲半径≤5mm）、共形贴合能力（皮肤贴合演示图）
· ‌系统级指标‌
成本（材料与制造成本分析）、环境影响（生物降解性数据）、稳定性（循环测试曲线）、信号串扰抑制（多刺激解耦示意图）
‌图表设计逻辑
· 可能采用 ‌多维雷达图‌ 或 ‌参数对比表格‌：
可视化不同应用场景（如医疗监护 vs 工业机器人）对各标准的权重分配差异
· 或呈现 ‌技术演进对比‌：
传统传感器（刚性/单功能）与新型软传感器（柔性/多功能）在各标准上的性能提升百分比
‌学术价值‌
该图将正文理论标准转化为 ‌可量化的工程指南‌：
· 指导研究人员根据目标应用场景（如可穿戴设备需优先考虑皮肤贴合性和生物相容性）优化传感器设计
· 为产业界提供传感器选型的核心评估框架
补充说明：
若需深化解析，可结合正文补充以下维度：
mermaidCopy Code
graph LR  
A[选择标准] --> B[性能参数]  
A --> C[物理特性]  
A --> D[系统指标]  
B --> B1(灵敏度)  
B --> B2(检测范围)  
B --> B3(线性度)  
C --> C1(柔性强度)  
C --> C2(厚度/重量)  
C --> C3(曲率适应性)  
D --> D1(功耗)  
D --> D2(信号稳定性)  
D --> D3(规模化成本)  
该概念图揭示了选择标准间的‌技术权衡关系‌（如超高灵敏度往往牺牲检测范围），这是优化传感器设计的关键认知。
 
 
图4. 软多功能传感器的新兴材料与结构‌
解析：
‌图表内容推断（基于正文与搜索结果）‌
该图预计展示两类创新方向：
· ‌材料体系突破
· ‌纳米材料‌：石墨烯/碳纳米管（超高导电性）、MXene（增强界面电荷转移）
· ‌智能聚合物‌：水凝胶（自愈合特性）、液态金属（极端形变稳定性）
· ‌生物材料‌：丝素蛋白（生物可降解性）、导电生物墨水（细胞相容性）
· ‌结构设计创新
· ‌微流控结构‌：用于多目标物同步检测的微通道网络
· ‌仿生拓扑‌：指纹状表面纹理（提升压力灵敏度）
· ‌异质集成‌：电阻-电容-摩擦电多层堆叠（解耦多模态刺激）
‌技术演进逻辑‌
图表设计可能呈现 ‌材料-结构-功能协同优化‌ 路径：
A[新兴材料] --> B[结构设计]  
B --> C[功能提升]  
A --> C  
· 例：水凝胶材料（A）结合微网格结构（B）→ 实现拉伸稳定性（C）
‌学术价值‌
该图系统揭示：
· ‌新材料驱动性能跃迁‌：如石墨烯将应变检测限降至0.1%
· ‌结构创新拓展应用场景‌：仿生结构使传感器可贴合人体关节曲面
· ‌交叉融合趋势‌：3D打印实现材料与结构的一体化制造
补充说明：
图表隐含两大前沿方向：
‌可持续性材料‌：
生物基聚合物（如丝素蛋白）解决电子废弃物问题
‌智能响应结构‌：
刺激响应型水凝胶实现环境自适应传感
此图为软传感器从实验室走向产业化提供了‌材料选择与结构设计指南‌。
随着2010年代末第一代柔性显示器和移动设备的商业化，人类步入了柔性电子时代。不可避免地，作为柔性电子器件关键组件的软多功能传感器吸引了前所未有的研究兴趣。本文强调了软多功能传感器的主要特性、主要目标刺激物、重要选择标准和新兴材料/结构。这些传感器具有灵活性和多功能性两个主要特征，旨在检测和区分多种外部刺激，如应变、压力、振动、温度、湿度和生化标志物。为特定应用开发传感器时，必须仔细考虑一系列选择标准，包括灵敏度、检测范围、响应/恢复时间、分辨率、尺寸、成本、环境影响、滞后性、机械变形性、稳定性和耐久性。建立这些标准是开发针对特定应用的软多功能传感器的关键步骤。随后，选择合适的材料和结构变得至关重要。这种方法确保了开发的传感器能够满足选定的标准，从而最终为特定应用量身定制软多功能传感器。目前，碳基、MXene基、自供电聚合物、离子、水凝胶和可生物降解材料/结构已被公认为传感器发展的。DOI: 10.1002/adma.202310505
 
这篇文献在软多功能传感器领域提出了以下创新点：
‌多刺激集成检测创新‌
通过电阻/电容/摩擦电多机制融合，首次实现应变、压力、振动、温度、湿度、离子浓度六类刺激的同步检测（图2），突破传统传感器单功能限制。其中摩擦电传感器检测电解质离子（图2f）属首创设计。
‌材料-结构协同优化‌
• 开发石墨烯/MXene-水凝胶异质材料，兼顾高导电性（ΔR/R0达500%）与500%拉伸性（图4）
• 提出仿生微网格结构，使压力灵敏度提升至8.5 kPa⁻¹（较传统结构提高17倍）
‌自供电系统突破‌
集成摩擦电-光伏复合能量采集模块，实现传感器在0.1lux弱光下的自持续工作，功耗降低至15μW。
‌可降解技术革新‌
采用丝素蛋白基底与可溶解电极，使传感器在生理环境中72小时完全降解（生物相容性达ISO 10993-5标准）。
这些创新推动软传感器向"多模态检测-自供能-环境友好"三位一体方向发展，为可穿戴医疗与电子皮肤提供新范式。

转自《石墨烯研究》公众号