摘要：柔性傳感器是生物醫學領域的研究熱點,，受到了廣泛的關注。然而，柔性傳感器需要外部電池供能，續航時間短，這成為了制約其發展的瓶頸。自驅動電子器件概念的提出，為解決續航問題提供了重要思路。本文梳理了自驅動柔性生物醫學傳感器的最新研究進展，從原理、材料、器件和生物醫學應用等角度出發，概述了不同自驅動技術在人體生理信號傳感方面的技術特點與研究現狀，重點介紹了部分穿戴式和植入式自驅動柔性傳感器在人體的呼吸、脈搏、溫度監測和人工感覺器官中的代表性研究工作。最后，本文還對自驅動柔性生物醫學傳感器當前的挑戰和未來的發展趨勢進行了展望和總結。

1引言

在人體的各項生命活動中，各種器官和組織發揮著重要的作用。人體器官和組織的功能狀態體現在不同的生理信號中，這些生理信號包含著大量醫學信息，可用于疾病診斷和健康監測，這對于疾病的早期預防、治療和康復起著至關重要的作用。因此開發不同原理的生物醫學傳感器具有重要意義，可極大推動生物醫學領域的發展。目前臨床及市場上的生物醫學傳感器包括血壓計、血氧儀、血糖儀、心電圖儀、腦電圖儀、紅外輻射溫度計、胃鏡、腸鏡、體內膀胱鏡等，可以實現對人體生理信號的監測，但是這其中的大部分儀器屬于有源式設備，質量體積大，不便于攜帶，其使用范圍也僅僅局限在專業的醫療機構中。植入式和穿戴式醫療器件的出現使得生物醫學傳感器的使用范圍不再局限于特定區域，更有利于對患者健康狀況實現長期實時監測，提高患者的生活質量。

生物醫學傳感器的迅速發展對其能源供給問題提出了迫切的需求，在早期的研究工作中，生物醫學傳感器通常采用電池供能。然而，電池本身龐大的體積和較大的質量增加了傳感器的負載，很大程度上限制了微型化和便攜化醫療設備的發展。隨著生物醫學傳感器的發展，其性能逐步提升，對能源需求也越來越高，因此研發不需要外部能源供給的生物醫學傳感器變得意義重大。

針對這一需求，科學家們開始嘗試著通過各種發電技術收集人體周圍環境中各種形式的能源來為生物醫學傳感器提供能量，這些發電技術包括太陽能電池、電磁發電機、生物燃料電池和熱電發電機等。2006年，王中林院士等首次提出了納米發電機，它可以將周圍無規則的機械能轉換為電能。納米發電機可以收集低頻的機械能，能量轉換率高，吸引了越來越多的科研工作者從事基于納米發電機的自驅動設備的研究。根據工作原理的不同，納米發電機可分為壓電納米發電機、摩擦納米發電機兩種類型。納米發電機、電磁發電機及各種復合式發電機的成功研制，使得自驅動生物醫學傳感器可以利用包括太陽能、熱能、機械能和生物能等各種不同形式的能量，極大地拓寬了自驅動生物醫學傳感器的供能方式。

除了能量來源以外，生物醫學傳感器的另一個重要研究方向是材料的選擇與改進。生物醫學傳感器的應用場景離不開人體，這對其材料的選擇提出了很高的要求。特別是需要在體內工作的植入式生物醫學傳感器，在其材料的選擇上顯得更加嚴苛。一方面，為了保證患者的健康，生物醫學傳感器的材料需要具有很高的生物安全性。另一方面，由于生物醫學傳感器往往與人體的皮膚或組織直接接觸，為避免對人體造成損傷，材料本身需要具有一定的柔性和拉伸性能。

本文首先討論了各種柔性自驅動生物醫學傳感器的工作原理和材料。接著，本文對大量柔性自驅動生物醫學傳感器領域的工作進行了分類和篩選，并從不同的研究方向中挑選了一些代表性的工作。通過這些代表性的工作，讀者可以系統地了解具體研究方向的研究進展和挑戰。最后，本文展望并總結了柔性自驅動生物醫學傳感器領域當前存在的問題、可能的解決方案和未來的發展方向。

2自驅動柔性生物醫學傳感器的定義

自驅動柔性生物醫學傳感器指的是一類通過收集人體或周圍環境的能量和信息，無需外接電源就能滿足自身電能需求，同時具有柔性和可拉伸性的生物醫學傳感器，可應用于對人體各項生理信息和生命活動的長期監測。根據其工作環境是在人體內或體外，可以分為植入式自驅動柔性生物醫學傳感器和穿戴式自驅動柔性生物醫學傳感器。根據其設計思路的不同，又可以分為主動式生物醫學傳感器和能源式生物醫學傳感器。

現有的商用傳感器常常需要外接電源才能工作，額外的電路不僅增加了系統的復雜性，同時也在一定程度上增加了器件的尺寸。主動式生物醫學傳感器無需外部電源便可以直接將人體的生理信號（如力學信號、熱信號等）轉變為電信號，傳輸給檢測裝置，從而大大降低了整個系統的復雜性（圖1（a））。常用的信號轉換裝置包括摩擦納米發電機、壓電納米發電機和熱電發電機等。能量式生物醫學傳感器則是通過各種發電技術與現有的傳感器技術相結合，收集人體和環境中的能量，為傳感器提供電能（圖1（b））。此時，摩擦納米發電機、壓電納米發電機和熱電發電機等不再扮演信號轉換裝置的角色，而是作為能量收集裝置為商用傳感器提供電能。

圖1 自驅動柔性生物醫學傳感器的設計思路：（a）主動式生物醫學傳感器直接收集各種生理信號并轉化為電信號；（b）能源式生物醫學傳感器收集能量再為商用傳感器提供能量

一種自驅動柔性生物醫學傳感器一般需要使用多種材料，根據其功能的不同，可以將這些材料分為三類。第一類是能量轉換材料，負責將其他形式的能量轉化為電能。不同的工作原理的自驅動柔性生物醫學傳感器需要使用不同的能量轉換材料，例如：具有壓電效應和熱釋電效應的聚偏二氟乙烯（PVDF），具有熱電效應的碲化物及其合金，以及具有常用作摩擦層的聚四氟乙烯（PTFE）等。第二類是電極材料。由于自驅動柔性生物醫學傳感器需要滿足柔性和拉伸性的要求，傳統的金屬電極已不再適用，需要在原來的基礎上補充一些特殊的加工或結構設計。此外，一些柔性電極如氧化銦錫（ITO）和水凝膠也為自驅動柔性生物醫學傳感器提供了更多電極上的選擇。第三類材料是結構材料，其作用是隔離，封裝和保護自驅動柔性生物醫學傳感器的其他材料。常用的結構材料有硅膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

由于自驅動柔性生物醫學傳感器特殊的應用場景和應用對象，在其材料的選擇的問題上要求很嚴格，需要考慮到材料的多項性能。自驅動柔性生物醫學傳感器的監測對象是人體，往往需要與人的皮膚或器官組織直接接觸，硬質的剛性材料會帶來異物感和刺痛感，影響患者體驗甚至危害患者的健康和安全。因此，自驅動生物醫學傳感器材料需要保證一定的柔性。如果器件的部分結構不可避免的要使用一些剛性材料，則可以考慮使用柔性材料將剛性材料封裝起來，以避免剛性材料與人體的直接接觸。自驅動柔性生物醫學傳感器的工作環境比較復雜，往往伴隨著各種各樣的體液，因此，其選用的材料需要具備一定的化學穩定性。同時，由于自驅動柔性生物醫學傳感器需要對監測對象進行長期的監測，工作時間較長，對于涉及機械運動的自驅動柔性生物醫學傳感器來說，其運動循環次數很多，對材料的機械穩定性提出了較高的要求。此外，一些具有特殊應用的自驅動柔性生物醫學傳感器也需要一些額外的性能，比如，應用于電子皮膚的器件在材料選擇時往往需要考慮材料的透明性，而植入式自驅動柔性生物醫學傳感器的材料則有更高的生物安全性要求。

3 自驅動柔性生物醫學傳感器的工作原理

自驅動柔性生物醫學傳感器的電能來源于人體周圍其他形式的能量，包括機械能、熱能、光能等。為了收集這些能量，基于不同原理的納米發電機逐漸被科學家們研發出來。本文重點介紹適用于自驅動柔性生物醫學傳感器的4種發電機：壓電納米發電機、摩擦納米發電機、熱電發電機與熱釋電發電機。除了這4種發電機以外，還有一些其他的發電技術也被用于自驅動柔性生物醫學傳感器的研發，比如光伏電池、生物燃料電池、電磁發電機等。

3.1 基于壓電納米發電機的自驅動柔性生物醫學傳感器的工作原理

壓電效應很早就被科學家們所發現，近年來更是被廣泛應用在醫療電子設備領域。壓電效應指壓電材料在沿一定方向上受到外力而產生形變時，內部出現極化并產生壓電電勢的現象。最典型的壓電材料是纖鋅礦結構的ZnO，其內部的Zn2+和O2–沿著c軸方向成正八面體結構層疊排列（圖2（a））。當沒有外力作用時，正電荷中心和負電荷中心位于同一位置，當外力施加到四面體的任何一個軸向方向時，晶體中的正負電荷中心發生位置的偏移，從而形成偶極矩，力的方向與軸向方向越接近，偏移越明顯（圖2（b））。偶極矩的產生使得晶體沿著軸向方向的兩端產生電勢差，該電勢即為壓電電勢（圖2（c））。此時，再將壓電材料兩端接入負載或者處于短路狀態，就能產生電流（圖2（d））。基于這一原理，王中林院士提出了壓電納米發電機。早期的壓電納米發電機往往選用一些脆性的無機壓電材料，如BaTiO3和Pb（ZrxTi1–x）O3等，并不適用于自驅動生物醫學傳感器領域。隨著研究的深入，新的有機壓電材料如PVDF被相繼開發出來，壓電材料開始向柔性、薄膜化發展，也使得壓電納米發電機在自驅動柔性生物醫學傳感器這一領域的應用迅速發展起來。

圖2 壓電納米發電機的工作原理：（a）ZnO的晶體結構模型；（b）ZnO納米線的壓電勢；（c）ZnO納米線壓電勢有限元分析；（d）壓電納米發電機的發電機制

2010年，Li等設計了一種可植入體內的納米發電機，可利用壓電納米發電機收集小鼠體內的機械能，該裝置的電學輸出有限，其峰值電壓低于50 mV，峰值電流低于500 pA。但是，這項工作首次證明了納米發電機可以在體內為植入式醫療設備提供能量，為自驅動植入式生物醫療傳感器的研究奠定了基礎。

3.2 基于摩擦納米發電機的自驅動柔性生物醫學傳感器的工作原理

王中林院士于2016年提出的摩擦納米發電機，是機械能收集的又一開創性工作。摩擦納米發電機的發電原理基于摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合。兩種不同材料相互摩擦后，由于其對電子的吸附能力的差異，一種材料會帶上正電荷，而另一種材料會帶上負電荷，同時，兩種材料的背側電極上會產生感應電荷。當兩種材料分離時，正負電荷發生分離，這種正負電荷分離會相應的在材料的上下電極上產生電勢差。隨著兩種材料的距離發生變化，電勢也會發生周期性的變化。同壓電納米發電機類似，將兩種材料的外側通過外部電路或負載連接起來，可以產生交變的感應電流。

摩擦納米發電機選材廣泛，原則上，可由任何兩種材料組裝制備而成，這使得其在各個領域都有廣泛的應用前景。另一方面，摩擦納米發電機對低頻條件的機械能也具有良好的收集能力。由于人體的各種運動一般屬于低頻運動，這使得摩擦納米發電機能夠很契合的應用在生物機械能的收集上。如圖3所示，摩擦納米發電機具有4種基本模式，分別是接觸分離式、滑動式、單電極模式和獨立層式。4種摩擦納米發電機具有各自不同的應用場景，都在機械能收集上有廣泛的應用。

圖3 摩擦納米發電機的4種工作模式：（a）接觸分離式摩擦納米發電機；（b）滑動式摩擦納米發電機；（c）單電極模式摩擦納米發電機；（d）獨立層式摩擦納米發電機

2014年，Zheng等設計了一種植入式摩擦納米發電機，將器件植入大鼠的胸皮下方或膈肌與肝臟之間，通過收集大鼠呼吸產生的機械能，為植入式心臟起搏器供電。這一設計首次證明了摩擦納米發電機在植入式醫療設備應用的可行性，極大地拓寬了植入式自驅動生物醫學傳感器的研究思路。

3.3 基于熱能收集的自驅動柔性生物醫學傳感器的工作原理

熱能是自然界中另一種常見的能量形式，人體作為一種熱源，可以充當基于熱電效應裝置的能量來源。熱電發電的原理基于塞貝克效應，即兩種不同的導體或半導體在溫度梯度下，兩種物質間產生電勢差的現象。如圖4所示，熱電偶由兩種具有不同塞貝克系數的金屬A和B組成，材料兩端的溫度差會導致兩種材料在輸出端之間形成電勢差。另外，將單個金屬導體置于溫度梯度下，內部載流子從熱端移至冷端，然后在冷端積聚，也可以產生沿溫度梯度方向的自旋電壓。常見的無機熱電材料通常剛性較大且易碎，不能滿足當前生物醫學傳感器對器件的柔性要求。針對這一問題，越來越多的具有優良性能的二維熱電材料被研發出來。

圖4 熱電發電機的發電原理

熱釋電發電機也可以收集熱能產生電能，但是這種發電機的發電原理與熱電發電機截然不同。熱電發電機通過溫度梯度來收集熱能，而熱釋電發電機通過溫度的變化來收集熱能，這一現象往往出現在一些鐵電材料中。鐵電材料中的電偶極子的擺動幅度會隨環境溫度的變化而變化，當環境溫度升高時，電偶極子的擺動幅度增大，電極的感生電荷增加，從而產生電子的流動。無論是熱電發電機還是熱釋電發電機，其重要問題都是能源收集效率的問題，特別是應用在自驅動生物醫學傳感器領域時，皮膚熱阻、材料熱阻、熱擴散等都是限制其能源收集效率的潛在因素。

4 自驅動柔性生物醫學傳感器的應用

4.1 自驅動柔性呼吸傳感器

呼吸是人類的一個重要健康指標，呼吸運動與人體的所有生命活動都有內在的聯系，可實時反映人的健康狀況。睡眠呼吸暫停低通氣綜合征是臨床中常見的嚴重呼吸系統疾病，患病者具有較高的健康風險。目前，睡眠監測是該疾病臨床診斷的重要標準。因此，對于睡眠醫學來說，開發一種能夠長時間連續監測自發性呼吸而又不影響睡眠質量的呼吸監測設備至關重要。此外，一些研究表明，人體呼出的氣體含有多種化學成分，這些化學成分也可用于檢測人體的健康狀況，甚至可以診斷某些特定疾病。因此，除了監測呼吸運動之外，呼出空氣的檢測和分析也很重要。

2017年，Liu等提出了一種用于呼吸監測的穿戴式自驅動傳感器，該傳感器先在硅基板上靜電紡絲制備出PVDF薄膜，再經過極化后制成。通過與彈性綁帶集成，這種柔性壓電納米發電機可以將呼吸運動的機械能轉換為電信號，實時監控人的呼吸狀況（圖5（a））。2017年，Xue等通過將PVDF薄膜與N95型口罩集成在一起，制造出了一種可穿戴的熱釋電呼吸傳感器。人體呼氣和吸氣時會發生溫度波動，此時這種穿戴式熱釋電呼吸傳感器可以通過PVDF薄膜的熱釋電效應產生的電信號反映出穿戴者的呼吸狀態。在50 MΩ的外部負載下，該可穿戴熱釋電呼吸傳感器的最大功率可以達到8.31 μW（圖5（b））。

圖5 自驅動柔性呼吸傳感器：（a）基于柔性壓電納米發電機的穿戴式自驅動呼吸傳感器；（b）與N95口罩集成的熱釋電可穿戴呼吸傳感器；（c）基于摩擦納米發電機的主動式酒精呼吸分析儀

除了對呼吸直接的監測以外，對呼出氣體成分的監測也是非常有意義的。2015年，Wen等制造了一種基于摩擦納米發電機的呼吸傳感器，將摩擦納米發電機作為呼出氣體酒精檢測系統的電源（圖5（c））。該裝置通過一個轉盤式摩擦納米發電機來收集呼出氣體的機械能，同時，基于Co3O4的氣體傳感器的電阻會隨環境酒精濃度變化而變化。該基于摩擦納米發電機的氣體傳感系統可以檢測到10 ppm(1 ppm=0.001‰)的低濃度酒精，當喝酒的人向儀器呼氣時，其產生的電壓會觸發警報系統并發出警告信號。

4.2 自驅動柔性脈搏傳感器

心臟是保證人體中各種其他器官、系統和整個身體正常運轉的重要器官，其主要功能是為血液流向身體各部分提供動力。脈搏信號是監測心臟狀態的重要標志。許多臨床疾病，尤其是心血管疾病，會使患者的脈搏發生異常搏動。脈搏監測可及時發現異常的心臟活動，是預防突發性心血管疾病的第一道防線，有助于相關心血管疾病的診斷和治療。脈搏的長期連續監測對于心血管疾病患者更為重要，然而，在當前臨床中使用的心電圖儀相對比較笨重，不便于隨身攜帶和使用。為了實現長期連續的脈搏監測并確保監測結果的精度和準確性，許多研究團隊已經開發出具有高靈敏度和便攜性的自驅動脈搏傳感器，這對促進移動醫療設備和遠程醫療的發展具有重要意義。

將設備植入到心包外直接對心臟搏動進行監測，是最直接的脈搏監測方式。2016年，Ma等提出了一種基于柔性摩擦納米發電機的主動式脈搏傳感器，該裝置可以將心臟運動產生的力學信號直接轉換為電信號（圖6（a）），用于脈搏信號的連續監測。2017年Ouyang等基于摩擦電效應開發了一種柔性的自驅動超靈敏脈搏傳感器（圖6（b））。當該器件用于人體脈搏檢測時，其輸出可以達到1.52 V，響應時間為50 μs，峰值信噪比高達45 dB。其收集的脈搏信號與常規脈搏信號的二階導數一致，對某些特定心血管疾病（如心律不齊和心房纖顫等）的診斷具有指導性意義。2018年，Park等設計了一種自驅動超柔性生物傳感器，該傳感器能夠實時準確地監測心率（圖6（c））。這種傳感器是通過在超薄聚對二甲苯基板（厚度為1 μm）上將有機光伏電池與有機電化學晶體管集成在一起而制成的。其內置的有機光伏電池可以在室內光照條件下正常工作，驅動其內置的傳感器以大約1 V的低電壓條件運行。當該傳感器連接到手指，同時，凝膠電極連接到人的胸部時，其有機電化學晶體管可以獲取清晰穩定的心率信號。

圖6 自驅動柔性脈搏傳感器：（a）用于實時生物醫學監測的自驅動多功能植入式傳感器；（b）基于摩擦電效應的柔性自驅動超靈敏脈搏傳感器；（c）基于有機光伏電池的自驅動超柔性生物傳感器

4.3 自驅動柔性體溫傳感器

體溫則是另一項重要的生命體征。健康人的體溫相對恒定，當人體偏離正常體溫時，人體的正常新陳代謝將受到影響，并導致細胞、組織和器官的功能紊亂。因此，體溫監測對人體健康評估具有重要意義。發熱是一些流行病的常見病理性表現，對體溫的監測是遏制這些流行病傳播的重要手段。近年來的一些研究表明，對于溫度診斷而言，連續的體溫監測比單獨測量具有更高的醫學價值，而連續的人體溫度監測離不開可穿戴設備和自驅動技術的支持。因此，開發一種可以全天連續監測體溫的自驅動可穿戴設備具有很重要的醫學意義。

2012年，Yang等提出了一種基于熱釋電納米發電機的自驅動溫度傳感器，由單根鈦酸鋯鈦酸鉛納米線制成（圖7（a））。這種納米線的輸出電壓與溫度變化率呈正相關關系，室溫條件下，最小溫度檢測極限為0.4 K，可用于檢測人的指尖溫度。2015年，Zhang等報道了一種柔性自驅動的溫度-壓力雙參數傳感器，該傳感器由有機熱電材料和微結構支撐框架制成。基于熱電效應和壓電效應的耦合作用，自驅動雙參數傳感器可同時區分0.1 K的溫度變化和28.9 kPa–1的壓力變化。結合噴墨印刷技術，Zhang等制備了高度集成的可穿戴溫度傳感器陣列（圖7（b））。2015年，Wang等設計了一種復合式納米發電機，將兩個摩擦納米發電機和兩個電磁發電機巧妙地集成在一個小的丙烯酸盒中（圖7（c））。通過收集呼吸氣流的機械能，該復合式納米發電機可以持續驅動4個商用溫度傳感器。當氣流速度為約18 m/s時，該復合納米發電機的摩擦納米發電機部分在3 MΩ的負載電阻最大輸出功率為3.5 mW，電磁發電機部分在2 kΩ的負載電阻下可產生1.8 mW的最大輸出功率。在兩種發電機的共同工作下，無線溫度傳感器被成功驅動。

圖7 自驅動柔性體溫傳感器：（a）基于熱釋電發電機的自驅動溫度傳感器；（b）由熱電材料制成的自驅動溫度-壓力雙參數傳感器；（c）基于復合發電機的溫度傳感器系統

4.4 自驅動柔性人工感覺器官

人體通過各種感覺器官感知周邊環境，應對環境的各種變化。部分殘障人士由于器官受損，可能存在一些感知障礙，給他們的正常生活帶來了許多困擾。自驅動柔性人工感覺器官可以為他們的生活帶來極大的幫助。現階段，研究者已經在自驅動柔性聽覺傳感器、自驅動柔性觸覺傳感器和自驅動柔性嗅覺傳感器等方向上有了一定的突破。此類人工感覺器官的進步，一方面可以促進生物醫療領域的發展，另一方面也會給機器人領域帶來很大的推動。

2018年，Guo等設計了一種人工耳，這種人工耳將聲學信息轉換為力學信息，再根據摩擦納米發電機的原理將力學信息轉換為電學信息進行識別。摩擦納米發電機對力學信息的識別具有寬頻的特性，基本能覆蓋人日常交流的聲音頻率（圖8（a））。2018年，Wang等研發制備了一種基于摩擦納米發電機的透明可拉伸觸覺傳感器。器件中的聚乙烯醇通過靜電紡絲制成，結合濕法刻蝕等工藝，制成了8×8的陣列。該器件兼具高透明度、高壓力敏感性、可拉伸性及多點觸控操作等特性，能夠同時實現生物機械能收集、觸覺感知等功能，為制備可拉伸透明的觸覺傳感器提供了一個全新的思路（圖8（b））。2019年，Zhong等構建了一套可以替代人嗅覺的電-腦-行為閉環系統。基于納米發電機與生物體嗅覺神經反饋的原理，這套系統可以使小鼠對危險氣體進行識別并做出反饋，避開危險區域（圖8（c））。隨著微電子技術的不斷成熟，此類人工耳蝸，電子皮膚和人工嗅覺閉環等工作器件的分辨率將越來越精細，可望滿足未來工業和市場的要求。

圖8 自驅動柔性人工感覺器官：（a）用于機器人和助聽器的自驅動聽覺傳感器；（b）用于可穿戴電子設備的自驅動觸覺傳感器；（c）用于智能嗅覺替換的摩擦電-腦-行為閉環

5 展望

上述的各種自驅動生物醫學傳感器，往往關注單一種類生理信號的采集，然而，生理信號的種類多種多樣，醫療診斷往往需要綜合參考多種生理信號。單一功能的自驅動柔性生物醫學傳感器已經不能滿足診斷的需求，多種功能的集成將成為一種發展趨勢。2020年，Chen等設計的多功能傳感系統可以同時實現對手臂肌肉的溫度和應力的監測（圖9（a））。同時，多功能的傳感系統也提升了設計難度，對能耗提出了更高的要求。

圖9 自驅動柔性生物傳感器的重要研究方向：（a）多功能的傳感系統；（b）無線信號傳輸；（c）柔性人機界面

在自驅動生物醫學傳感器研究的早期階段中，考慮到信號傳輸的穩定性，自驅動生物醫學傳感器的信號傳輸方式通常采用有線傳輸。隨著無線信號傳輸技術的發展與成熟，無線信號傳輸成為自驅動柔性生物傳感器的一個重要研究內容。對于穿戴式自驅動柔性生物醫學傳感器，無線信號傳輸可以節省線路，簡化整個系統的復雜性。對于植入式自驅動柔性生物醫學傳感器，要將體內收集到的信號透皮傳輸到體外，同時盡量減少對生物體的損傷，無線信號傳輸就顯得至關重要。2019年，Niu等設計的傳感器網絡，引入了一種非常規的射頻技術，可以實現對人體脈搏、呼吸和身體運動的連續實時監測（圖9（b））。

自驅動生物醫學傳感器是一種實現人機交互的工具，因此，在自驅動生物醫學傳感器的研制中，構建良好的人機界面非常重要。特別的，因為這些設備應用于生物醫療領域，又對它們提出了無毒無害和柔性的新要求。Rogers課題組長期專注于柔性電子器件的研究，2019年，他們研發了一種無線、無需電池的觸覺信息界面，這種界面可以輕柔地附著在皮膚上，并通過可編程的局部機械振動來實現觸覺信息的遠程傳輸（圖9（c））。

6 總結

近年來，關于自驅動柔性生物醫學傳感器的研究發展迅猛，研究者針對自驅動柔性生物醫學傳感器開展了各方面的研究，其研究方向主要體現在性能的提升，應用場景的拓展，與新技術的結合，以及新結構、新原理的研發等方面。同時，研究者們也致力于通過各種努力彌補現有自驅動柔性生物醫學傳感器的各種不足，其努力方面包括以下幾個方面。

首先是自驅動柔性生物醫學傳感器的器件小型化。當前，隨著半導體技術的發展與成熟，電子元器件的尺寸已經足夠小且精細，然而，當前的自驅動柔性生物醫學傳感器仍然處于實驗室研發階段，大部分器件依賴手工制作，這對器件的高精度和微型化的要求提出了挑戰。研究者們借鑒工業生產中的各項優秀技術，比如柔性電路板制作和3D打印技術，使得自驅動柔性生物醫學傳感器的精度和微型化得到了很大的提升。第二個問題是自驅動柔性生物醫學傳感器的循環穩定性：一方面，器件的機械穩定性有待接受復雜環境的考驗；另一方面，能量收集能力、儲能能力、能量轉換能力等方面的提升，可以提升自驅動柔性生物醫學傳感器的有效工作時間。現有的能量收集技術在理論上是足夠的，但是在實際應用過程中，由于多種因素引起的衰減，效果并不理想。研究者們利用多層化、陣列化和復合發電機的方案來提高自驅動柔性生物醫學傳感器發電效率。此外，全柔性也是自驅動柔性生物醫學傳感器需要解決的問題之一。現有的封裝材料和發電材料都可以滿足柔性的要求，但是，現有的柔性電路技術仍與實際使用的要求相差甚遠。為了實現真正有效的柔性電路，研究人員提出了各種思路，如功能性水凝膠、導電聚合物、電子織物和離子導體等。

自驅動柔性生物醫學傳感器具有廣闊的應用前景，因而受到了廣泛的關注和研究。但是，缺乏柔性電路和更高效的發電技術的瓶頸限制了自驅動柔性生物醫學傳感器的發展。未來新技術和新材料的發現，將會繼續推動自驅動柔性生物醫學傳感器取得長足的進步和發展。