在过去的十年中，具有机械变形性和电气可靠性的柔性电子器件一直是研究的焦点，特别是在可穿戴设备、脑机接口（BCI）和电子皮肤领域。这些新兴的应用对柔性传感器提出了严格的要求，不仅要求它们能够承受动态应变和适应不规则表面，还要求它们能够确保长期稳定的监测。为了满足这些需求，具有高纵横比、大比表面积和可编程几何工程的一维纳米线被广泛认为是构建高性能柔性传感器的理想候选者。各种创新的组装技术使这些纳米线能够与柔性衬底有效集成。更令人兴奋的是，通过低成本和高效的催化生长方法制备的半导体纳米线已经成功用于制造高柔性和可拉伸的纳米探针，用于细胞内传感。此外，纳米线阵列可以部署在大脑皮层上以记录和分析神经活动，为神经系统疾病的治疗开辟了新的途径。
据麦姆斯咨询报道，近日，南京大学余林蔚教授和苏州大学王胜老师联合在Electron期刊上发表了题为“Nanowire-Based Flexible Sensors for Wearable Electronics, Brain-Computer Interfaces, and Artificial Skins”的综述文章。该综述系统地研究了应用于可穿戴电子设备、脑机接口和电子皮肤的基于纳米线的柔性传感技术的最新进展，重点介绍了关键的设计原则、工作机制以及通过生长、组装和转移工艺实现的技术里程碑。这些发展共同推进了高性能的健康监测，加深了我们对神经活动的理解，并促进了新型、灵活和可拉伸的电子皮肤的发展。最后，还对基于纳米线的柔性传感器当前面临的挑战和未来的机遇进行了总结和展望。
基于纳米线的柔性传感器在可穿戴电子设备、脑机接口和人造皮肤领域的典型应用
I 纳米线的制造技术
在自上而下的方法中，光刻是一种重要且应用广泛的技术，因为半导体行业的快速发展提供了先进的设备和既定的标准。自光刻技术发展以来，其已广泛应用于制造导电纳米线。标准光刻技术的低分辨率限制了纳米线的直径，使其往往超过400 nm。因此，人们考虑了更高分辨率的光刻方法，例如电子束光刻（EBL）和X射线光刻（XRL）。此外，纳米压印光刻（NIL）也是一种新型的高分辨率纳米线制备方法。
光刻技术广泛应用于制造纳米线
与上述光刻技术不同，模板法也是自上而下制造方法的一个重要技术分支。对于金属纳米线，采用模板吸附一定量的金属离子，并限制纳米线的生长，以控制其形态。模板多种多样，主要可分为硬模板（例如多孔氧化铝、介孔二氧化硅和碳纳米管），以及软模板（例如DNA、蛋白质等）。
与自上而下的方法不同，自下而上的方法涉及一种累加的方式来制备纳米线。在各种自下而上的方法中，气-液-固（VLS）法是制备半导体纳米线最常见、最著名的制造方法。事实上，VLS方法通常使用气体作为前驱体来促进纳米线的生长，通常从催化剂液滴的顶部施加，并促进纳米线自然垂直生长。相反，沉积在衬底上以替代气体前驱体的非晶硅（a-Si）薄膜将在催化剂液滴和衬底之间形成一个能量有利的底部界面，这有助于引导催化剂液滴在平面内移动。这种面内固-液-固（IPSLS）机制由Yu等人于2009年首次提出。值得注意的是，IPSLS方法和VLS方法之间的关键区别在于前驱体材料的相态。
基于自下而上的方法制备纳米线
为了推进纳米线在柔性传感器中的应用，将自上而下和自下而上方法相结合，开发出既能提供高精度又具有大规模生产能力的技术是至关重要的。
基于纳米线的柔性传感器通常由柔性衬底和纳米线等有源元件组成。然而，单晶半导体纳米线通常是通过VLS、IPSLS或类似技术制造的，这些技术会产生相对高温的环境，导致大多数柔性衬底收缩或降解。相比之下，a-Si可以通过真空沉积技术在低温环境下沉积，但与单晶硅（c-Si）相比，a-Si的迁移率较差。此外，有机半导体也可以通过基于溶液的工艺在室温环境中制造。同样，固有的不良电子特性限制了它们的应用。因此，将c-Si纳米线从硬衬底转移、组装到软衬底上，是制造基于纳米线的柔性传感器的一种很有前途的方法，它将纳米线的高温合成与柔性传感器的低温组装分开。
将纳米线转移到柔性衬底的方法
II 在可穿戴电子设备中的应用
在过去几十年里，随着医疗技术的进步，实时生物特征监测，包括活动追踪、呼吸监测、睡眠监测、心率监测、血压监测以及携带生物特征信息的其它信号的检测，变得越来越重要。与传统的笨重、昂贵的监控设备相比，可穿戴电子设备无疑提供了一种紧凑、便携、低成本和低功耗的替代方案，有助于长期佩戴以进行连续信号检测。此外，可穿戴电子设备的应用不仅仅局限于从身体上收集信号；传感器作为人类的第三只“电子眼”，能够接收压力、温度、湿度等外部信号，并进行量化和显示，增强或弥补了人们对这些外部信号的感知。而且，可穿戴电子设备还致力于实现超越人类感官的功能，例如电磁屏蔽、柔性显示、化学气体检测等。这些功能可以被实现，甚至可以被集成到可穿戴电子设备中，不仅可以收集体内的信号，还可以收集体表及其周围的信号。可穿戴电子设备被认为是未来传感器发展的关键领域之一，具有广阔的应用和发展前景。
基于纳米线的可穿戴电子设备在健康监测方面的应用
基于纳米线的可穿戴电子设备在活动追踪方面的应用
III 在脑机接口中的应用
脑机接口技术促进了大脑与外部环境之间的联系，在外部控制和医学诊断中发挥着至关重要的作用。脑机接口根据其工作原理可分为侵入式和非侵入式。
侵入式脑机接口：侵入式脑机接口通常使用插入脑组织的探针直接读取颅内电生理信号，然后使用机器学习技术对其进行处理，以提取相关频带进行翻译。然而，植入式电极可能会对脑组织造成损伤，导致炎症反应和神经胶质增生，从而限制长期监测。减小探针尺寸对于最大限度地减少组织损伤和实现稳定的长期监测至关重要。与常用的微米级探针相比，纳米线具有显著优势。它们的纳米尺度最大限度地减少了组织损伤，并提供了优异的空间分辨率。尽管纳米线表现出比传统探针更高的阻抗，但纳米尺度下较低的缺陷密度提高了电导率和信噪比。这些优点使纳米线成为未来侵入式脑机接口有前景的候选材料。
非侵入式脑机接口：非侵入式脑机接口使用放置在头皮上的电极来记录来自大脑皮层的脑电图（EEG）信号。根据电极类型，非侵入式脑机接口可分为湿电极、半干电极和干电极。湿电极与皮肤表面形成稳定的接触，具有优异的导电性，但由于水分蒸发，需要定期维护，因此不适合长期监测。此外，它们会刺激头皮，在长时间佩戴过程中导致用户不适。干电极解决了这些问题，但面临着挑战，例如与皮肤的复杂和不稳定接触，这可能会受到头发等因素的影响。提高干电极的电导率可以有效降低接触阻抗，提高信噪比。纳米线作为一种优良的导电填料，在提高电极导电性的同时，可以满足皮肤紧密接触的柔性要求，同时提高电极的导电性。为了开发下一代便携式、高性能和长期监测的干电极脑机接口，纳米线优异的机械和电气性能使其具有广泛的应用前景。
基于纳米线的神经探针和电极
IV 在人造皮肤中的应用
皮肤是人体最大的器官，保护我们免受外部环境因素的影响，调节体内平衡，包括体温，并介导触觉，从而允许检测各种内部和外部干扰，例如压力、应变、振动、温度、疼痛和化学物质，在人体中发挥着重要作用。因此，人们对使用电子设备来模拟人体皮肤的功能非常感兴趣，这类设备被称为电子皮肤（e-skin）。电子皮肤最基本的特征在于其可拉伸性，这对传统的刚性传感器提出了重大挑战。然而，柔性传感器可以有效地应对这一挑战，并集成到电子皮肤中。纳米线在柔性传感中是一种出色的功能载体，具有高灵敏度、良好的机械性能、优异的光学透明度和可定制的形态特征，能够实现高精度甚至集成的功能，例如触觉传感、能量收集和存储以及同步加热。电子皮肤不仅可以作为一个部分取代人体皮肤功能的系统，例如损伤警告、体温监测与维护、身体运动和手语识别，而且还专注于人类皮肤以外的功能，例如能量收集和储存，以及增强虚拟现实（VR）技术。可以预见，电子皮肤作为新一代传感器，具有广阔的发展和应用前景。
基于纳米线的触觉传感器
总而言之，研究人员系统地探讨了基于纳米线的柔性传感器在可穿戴电子设备、脑机接口和人造皮肤领域的先进制造技术和发展，主要源自智能技术时代对健康监测、工业创新和日常生活便利性日益增长的需求所驱动。纳米线作为一种准一维材料，具有高纵横比、优异电学性能和机械性能，是开发高性能柔性电子产品的理想选择。此外，纳米线良好的生物相容性和最小的组织损伤对于在脑机接口应用中实现长期、稳定和高性能的EEG监测和刺激至关重要。在过去的十年里，大量的研究和报告都集中在自上而下的纳米线制造方法上。同时，为了解决精确控制纳米线位置、形态和均匀性相关的挑战，还研究了自下而上的生长方法。这些努力促进了合成、转移和组装纳米线的成熟理论框架的发展。特别是，通过精确控制生长条件或使用特定的模板辅助技术，可以精细地调整纳米线的形态、组成和排列，从而满足特定应用的要求。未来，预计基于纳米线的柔性传感器将得到更广泛的应用。这有望开辟一个可扩展、成本效益高、生产率高的制造平台，显著推进智能传感技术的发展。
基于纳米线的柔性传感器的未来发展需要一种系统的方法，该方法需综合考虑材料、集成技术、能源供应、生物相容性、多功能集成以及制造工艺等。通过跨学科合作和技术创新，基于纳米线的柔性传感器有潜力在医疗保健、人机交互和其他高科技领域发挥重要作用，带来变革性的变化。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elt2.77
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