柔性可穿戴电子学在持续人体健康监测中的进展
摘要
可穿戴电子学已成为医疗保健关键技术，提供无创、实时监测重要生理参数。利用柔软、皮肤贴合衬底，这些器件采集脉搏、温度、葡萄糖水平等数据，实现主动健康管理。本文综述最广泛使用的传感器类型——力、温度、生化、多功能——详述其工作原理、结构创新、最新突破。同时讨论自供电源、信号处理单元等增强实用性的关键功能模块。最后概述剩余挑战与未来研究方向，推动可穿戴健康监测走向主流应用。
引言
自1950年代硅基半导体问世，电子产业经持续创新重塑。但传统硅器件刚性限制其集成进柔性可穿戴格式以满足个性化医疗需求。柔性可穿戴电子学——由弹性体、纺织品、生物相容材料制成——提供无与伦比贴合性、轻量化、耐用性，成为持续生理监测理想选择。
这些器件日益提供心率、呼吸、温度、生化标志物实时数据，为临床医生和用户提供及时预警。其通用性延伸至电子皮肤、动作捕捉、远程医疗等应用，定位为下一代医疗保健基石。
材料、制造技术、感测机制近期进展推动各传感器类别性能提升。Figure 1展示健康监测可穿戴传感器演进及本综述探讨关键设计策略。
柔性力传感器
力传感器将机械刺激——张力、压力、应变——转化为电信号。传统金属或半导体力传感器笨重刚性，限制可穿戴应用。相反，弹性体衬底(PDMS、PU、SEBS)产出柔性、透明、可拉伸传感器，可无缝集成进衣物或直接贴于皮肤。
按机制分为电阻式、电容式、压电式，各有优势。
电阻式力传感器
电阻式传感器检测变形引起的电阻变化。活性材料常将导电填料——石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、导电聚合物——分散于弹性体基质。电阻变化源于几何变化、填料分离、界面接触转移。压阻设计因低功耗、制造简便受青睐。
微结构弹性体衬底，如微金字塔阵列，通过放大导电网络处变形显著增强灵敏度。Choong等展示微金字塔PDMS阵列实现压力灵敏度十倍提升。但传统模具制造成本高，催生丝绸、天然叶片等低成本模板替代法。
引入多孔导电网络——嵌入微胶囊或碳化组织形成——创建更易在负载下变形的3D网络，进一步提升灵敏度和响应速度。Wang等利用向日葵花粉微胶囊制备中空球复合材料，在人手指或咽喉展现优越应变压力检测。
电容式力传感器
电容式传感器测量介质厚度或电极面积变化引起的电容变化。采用柔性介质层(PDMS、SEBS)和导电电极(CNTs、Ag纳米线)，提供高灵敏度和低检测限。对介质或电极微结构化通过增加可压缩性、引入可控气隙在负载下调节介电常数进一步提升性能。
有机场效应晶体管(OFETs)与微结构介质集成可得超高灵敏度(8.4 kPa⁻¹)和快速响应(<10 ms)，适合脉搏波检测。尽管优势明显，电容式传感器可能面临非线性和寄生电容问题，需精心电路设计。
压电式力传感器
压电式传感器将机械变形转化为电压。常用材料包括P(VDF-TrFE)、ZnO纳米线、PZT纳米结构。P(VDF-TrFE)提供优异柔性和大压电系数，使机器人触觉等应用中微小压力(≈0.1 Pa)检测成为可能。
压电传感器擅长捕捉动态事件，但因无连续电压输出无法检测静态压力。混合设计——如PTNWs/石墨烯异质结构——将应变诱导极化变化转化为载流子迁移率变化，实现增强灵敏度的静态压力测量。
柔性温度传感器
精准皮肤温度监测对发热、贫血等全身性疾病早期检测至关重要。柔性温度传感器分电阻式、热电式、热敏电阻式。
电阻式温度传感器
依赖金属或碳基复合材料电阻温度系数(TCR)。克服有限拉伸性策略包括皱褶膜、马蹄结构、刚性岛设计，实现30%应变容忍且性能损失极小。PEDOT:PSS-CNT复合物和石墨烯基热敏电阻提供更高TCR(0.25–0.63 %/°C)和固有拉伸性，但应变诱导电阻变化仍具挑战。
先进差分电路设计，如利用SWCNT晶体管，抑制应变诱导阈值电压漂移，实现50%应变下精准温度读出。基于R-GO/PU复合物栅控器件展示优于电阻式对应物的灵敏度(1.34 %/°C)。
热电式温度传感器
热电材料(PZT、LiTaO₃、PVDF-TrFE)随温度变化产生表面电荷。柔性热电OFETs引入P(VDF-TrFE)与BaTiO₃纳米颗粒，可区分温度效应与机械应变，实现复杂变形状态下可靠感测。
柔性生理生化传感器
葡萄糖、电解质、乳酸等生化标志物无创监测借助柔性电化学平台成为现实。这些传感器利用分析物与识别层化学反应转化为可测电信号变化。
Chen等引入皮肤级生物传感器，利用皮下电化学双通道(ETCs)将血糖引向皮肤表面，经固定葡萄糖氧化酶检测。多日测试读数与常规血糖仪高度吻合。
汗液分析方面，Gao等制备多功能贴片，含独立微电极检测Na⁺、K⁺、葡萄糖、乳酸。柔性印刷电路板处理无线传输数据，实现水化和代谢状态实时评估。
多功能传感器
将应变、压力、温度、湿度、气体感测集成于单层叠电子皮肤平台实现全面生理监测。Harada等演示单印刷件上三轴触觉阵列和温度传感器，Ho等将石墨烯基湿度、热、电容应变传感器集成3×3矩阵。
这些多层架构在最小化串扰前提下保持各传感器特异性，这是多刺激同时发生的真实应用关键要求。
可穿戴电子学功能模块
真正自主可穿戴系统需将发电和数据处理集成器件内。纳米发电机——基于摩擦电、压电、热电效应——从人体收集机械或热能为传感器或低功耗电子供电。
Zi等展示混合摩擦-热电-压电电池同时收集滑动运动和摩擦热，输出足够电压驱动LED并感知微小温度或应变变化。并行研究在软摩擦纳米发电机实现高拉伸性(1160%应变)和透明度(>90%)，实现与皮肤衣物无缝集成。
信号处理仍是瓶颈；多数系统将柔性传感器与刚性硅电子配对。新兴柔性印刷电路板(FPCBs)和本征可拉伸IC开始弥合差距，但全系统集成挑战——特别是能量管理、实时数据传输、外形因素——依然存在。
结论与展望
柔性可穿戴电子学凭借传感器灵敏度、耐用性、集成度进步，已成熟为持续健康监测强大工具。但若干障碍犹存：机械信号准确源辨识、同时高拉伸性与应变免疫温度感测、生化准确性提升、无串扰多功能性、全自主原位数据处理。
- 力传感器须可靠分辨脉搏、肌肉、接触力且具方向敏感性。
- 温度传感器应结合高拉伸性、灵敏度、应变解耦。
- 生化传感器需提高准确度、深入获取内部体液，或经植入/微创接口。
- 多功能平台须无干扰检测多样刺激，要求新材料架构。
- 电源、信号调理、无线传输端到端集成对实际部署必不可少。
纳米材料