机器人技术和健康监测用柔性可穿戴传感器专刊柔性可穿戴传感器可以获取压力、温度、光学输入、化学环境以及人体生理和生物学参数信号，这对于机器人技术和健康是至关重要的，由此决定了人们对柔性可穿戴传感器的迫切需要。从基础层面来看，我们在如何设计和制造具有生物相容性且坚固性和机械柔韧性良好的材料，以及如何获得高性能、低功耗和良好系统集成性的传感器方面仍然面临着巨大的挑战。在实际应用中，各种传感器在与柔性基板、信号处理和电源单元的集成方面也面临困难。随着物联网（IoT）的快速发展，智能传感器也将相互连接以形成传感器网络，从而为我们未来的智能生活提供大数据，所有这些将对我们的社会产生深远的社会经济影响。
《半导体学报》组织了一期“机器人技术和健康监测用柔性可穿戴传感器”专刊，并邀请香港科技大学范智勇教授、香港城市大学何颂贤教授、美国圣路易斯华盛顿大学王川教授、青岛大学龙云泽教授和华中科技大学刘欢教授共同担任特约编辑。该专题已于2019年第11期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。
本专刊包含10篇高质量的综述/研究文章，涵盖了包括生物相容性柔性材料的制造、柔性纳米结构模式、用于健康监测的柔性pH传感器、基于一维材料的柔性光电探测器、柔性电极和纳米发电机，柔性压力传感器和气体/化学传感器等在内的多个主题。除柔性材料和设备外，本专刊还介绍了人工智能传感器系统的设计和应用进展。
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1. 基于人工智能的智能气体传感器阵列
近二十年来，人类步入了物联网时代，诞生了智能机器人，对现代人的生产生活带来了巨大的变革，机器人科技也成为全球经济增长的引擎之一。随着视觉、听觉、触觉、嗅觉等柔性传感器技术的进步，仿照人类形态设计的类人机器人成为机器人家族的一个新宠儿。作为核心传感器技术之一的嗅觉传感器，相对于其他三类传感器而言，发展稍显滞后，迫切需要一个通用的基础器件，实现多种气体分子的检测于识别。气体传感器阵列（GSA），通常也称为电子鼻系统，为机器嗅觉系统提供了一个可能的方案。
在柔性智能气体传感器阵列综述中，香港科技大学范智勇教授等讨论了机器嗅觉从器件、电路到算法设计整个系统，归纳了近些年在半导体类型气体传感器和GSA算法方面的研究成果，分析了柔性嗅觉产生机理，总结了柔性气体传感器阵列的制备工艺和核心设计思路。并重点探讨GSA的基础器件和AI算法研究研究的关键问题及其解决方法，最后呈现了在整个智慧家庭和智慧城市的背景中GSA应用的前景。
图1. 采用不同技术制作的智能气体传感器阵列，在空气和水质监测、无创性疾病检测、危险气体泄漏报警等领域显示出巨大的应用潜力。
Smart gas sensor arrays powered by artificial intelligence
Zhesi Chen, Zhuo Chen, Zhilong Song, Wenhao Ye and Zhiyong Fan
J. Semicond. 2019, 40(11), 111601
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111601
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2. 基于一维纳米结构的柔性光电探测器的研究进展
传统光电探测器遍布我们生活的各个方面，无论是从智能手机到汽车，还是从深海到外太空，带给了我们极大的好处和便利。然而，非柔性的特点限制了其在现代健康医疗、机器人自动化等方面的应用。随着时代发展，发展柔性光电探测器成为解决上述问题的关键点。
一维纳米材料，如纳米线和纳米管，具有优良的柔性特征和杰出的光电性能，是发展柔性光电探测器的首要候选者。至今，相关的研究吸引了大量的科研人员的关注。在本篇综述中，香港城市大学材料科学与工程系何颂贤教授等总结了一维纳米材料光电探测器的近期发展。首先，作为构建柔性器件的基础，本文对纳米线的生长工艺及组装工艺进行了概括。随后，不同一维纳米材料的发展趋势被阐述，一些有创新性的研究工作被重点讨论。最后，介绍了基于柔性光电探测器的系统集成，也讨论了研究领域面临的相关问题。
作者希望这篇综述能对后来的研究者能带来帮助和启发，最终使一维纳米材料柔性光电探测器的相关研究成果从实验室进入实际生产。
Recent advances in flexible photodetectors based on 1D nanostructures
Senpo Yip, Lifan Shen and Johnny C Ho
J. Semicond. 2019, 40(11), 111602
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111602
3. 静电纺丝柔性传感器
柔性传感器由于能够适应各种复杂环境而受到广泛关注。电纺技术在制备柔性传感器方面具有显著优势。
青岛大学物理学院龙云泽教授等总结了通过静电纺丝制备柔性传感器的进展，分别讨论了可响应光、应力以及气体的传感器，最后讨论了静电纺丝和柔性传感器的发展方向。
图1. （a）通过表面改性制备导电纳米纤维的流程图。（b）通过热处理制备导电纳米纤维的流程图。
Electrospun flexible sensor
Qi Liu, Seeram Ramakrishna and Yun-Ze Long
J. Semicond. 2019, 40(11), 111603
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111603
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4. 基于可溶解金属硫族化合物的柔性可拉伸光电探测器和可穿戴医疗气体传感器
可穿戴式智能传感器是用于健康监测的新一代个人便携式设备。通过附着在皮肤表面，这些传感器即可监测身体信号（例如心率、血氧饱和度、呼吸标记等）和环境信号（例如紫外线辐射以及易燃、易爆、有毒、有害气体等）密切相关，从而为人类活动监测和个人远程医疗护理提供了新的途径。
华中科技大学刘欢教授等重点介绍了近年来取得巨大进步的金属硫属化物制成的光电探测器和气体传感器。首先，本文概述了基于光电探测器和气体传感器的医疗应用，并详细讨论了与这些应用相关的具体需求。然后讨论了可溶液处理的金属硫属化物的优点和性能，并列出了基于金属硫属化物的光电探测器和气体传感器在健康监测方面取得的一些最新成果。最后，本文提出了进一步的研究方向和挑战，以开发用于监测人类活动和个人健康护理的集成化可穿戴设备平台。
图1. 医疗监测用光电探测器。（a）可穿戴光电探测器作为实时紫外监视器的示意图。（b）现实生活中可穿戴实时紫外线传感器的照片。（c）传统心率传感器探头（中指夹持）与可穿戴光电探测器（食指夹持）对比图。（d）在室内光照和黑暗条件下，在前额皮肤上叠层装置的图像，其工作波长为650 nm。
Flexible and stretchable photodetectors and gas sensors for wearable healthcare based on solution-processable metal chalcogenides
Qi Yan, Liang Gao, Jiang Tang and Huan Liu
J. Semicond. 2019, 40(11), 111604
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111604
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5. 微米/纳米结构聚二甲基硅氧烷的光刻制备及其柔性电子应用的研究进展
微米/纳米技术的飞速发展为构建新兴柔性电子器件的复杂架构提供了一条新途径。在多种类型的可拉伸材料中，微米/纳米结构化聚二甲基硅氧烷（PDMS）凭借其柔韧性、可拉伸性、易加工，更重要的是与其他功能性材料如金属和半导体材料等融合度高等特点而逐渐兴起。可人工设计几何形状的器件在实现设备所需的机械和电气性能方面起着重要作用，因此其在可拉伸显示器、传感器、执行器以及健康监测设备平台领域显示出巨大的潜力。同时，用于生产极高可靠性可拉伸平台的新兴光刻技术已经引起了很多人的研究兴趣。
韩国科学技术高等研究院（KAIST）Jeon Seokwoo教授等全面总结了关于微米/纳米结构PDMS的研究进展及其在柔性电子器件方面的应用。本文以简要的展望和进一步的研究方向作为全文的总结。
图1. 光刻技术及其应用的总览图。
Recent advances in lithographic fabrication of micro-/nanostructured polydimethylsiloxanes and their soft electronic applications
Donghwi Cho, Junyong Park, Taehoon Kim and Seokwoo Jeon
J. Semicond. 2019, 40(11), 111605
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111605
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6. 碳纳米管柔性传感器的制备和使用综述
近年来，随着电子和无线通信等技术的高速发展，传感器作为将外界环境与内部智能系统相联系的唯一桥梁，起到举足轻重的作用。同时，伴随着人们对于自身健康问题的关注度不断提高，应用于检测人体生理信号的柔性可穿戴压力传感器具有良好的发展前景。根据人体自身特征情况，可穿戴柔性压力传感器须具备轻薄便携、灵敏度高等特点。因此，寻找一种具备良好的导电性能、电化学性能、柔性性能等性能的柔性传感器，成为一项研究热点。
针对碳纳米管柔性传感器的制备和应用，已经有若干文献做了详细的介绍和扩展。青岛大学电子工程学院王凯教授等首先从碳纳米管的结构入手，列举了碳纳米管在电子显微镜下的结构图（图1）和碳纳米管的理论结构图（图2）。之后通过碳纳米管柔性传感器的制备方法和应用领域两个方面，对文献进行总结和综述。在碳纳米管柔性传感器的制备方法方面，论述了文献中提到的水热辅助法和化学气相沉积法的步骤，并且在时间、步骤、设备等方面对两种方法进行了比较。和化学气相沉积法相比，水热辅助具有时间短，仪器简单、步骤多的特点。
图1. 碳纳米管在显微镜下的结构图。
图2. 碳纳米管的理论结构图。
在碳纳米管柔性传感器的应用领域方面，论文从电子领域、电场领域、热力学管理领域、医学领域等几个领域入手，阐述了最近几年碳纳米管柔性传感器的应用方式和作用，指出碳纳米管柔性传感器在许多领域具有广泛的应用。
论文的最后，阐述了碳纳米管柔性传感器在未来可以继续研究的方向：
(1) 在现有技术的基础上改进碳纳米管柔性传感器，以作为弹性肌电图（EMG）传感器，可以容易地控制人体的肌肉活动。
(2) 碳纳米管柔性传感器作为柔性电子设备的材料支撑，具有很好的柔性，可以以碳纳米管柔性传感器为基础发展可穿戴设备。
(3) 碳纳米管柔性传感器具有良好的延展性和导电性，可以作为人机交互运动监控的载体设备，促进自动控制技术的发展。
Preparation and application of carbon nanotubes flexible sensors
Shuo Li, Xiao Feng, Hao Liu, Kai Wang, Yun-Ze Long and S. Ramakrishna
J. Semicond. 2019, 40(11), 111606
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111606
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7. 用于创伤愈合监测的柔性可穿戴pH传感器的研究进展
青岛大学纺织服装学院闫旭教授等介绍了基于不同传感原理的柔性可穿戴pH传感器的最新进展以及其在伤口监控方面的应用。
众所周知，皮肤对人体健康有重要的保护作用，一旦受损，将威胁生命安全. 一般而言，皮肤修复过程是一个复杂的动态过程。在这个过程中，伤口部位的pH值将在弱酸性（4-6）到弱碱性（7-9）变化，如图1所示。因此，pH值可以反应伤口的愈合状态，从而作为监控伤口愈合情况的传感器。
图 1. 不同伤口处pH随时间变化(a)急性伤口，(b) 慢性伤口。
利用pH染料来监测pH值从而呈现出肉眼可见的颜色变化是最为简单有效的方法之一。通过这种方法，Trupp 等人开发了一种基于羟基取代偶氮苯衍生物作为pH指示染料，纤维素膜作为衬底的光学pH传感器。当用到健康皮肤上时，该传感器呈现黄色（图2(a)）, 而用到受伤皮肤处时，呈现紫色（图 2(c)）。
图 2. 柔性光学传感器固定在健康皮肤（a）和受伤皮肤（b）处。
为了得到更精确的pH传感器，基于测量电势、电流对pH响应等的电化学技术吸引了研究人员的关注。Wang 等人开发了一种基于伤口绷带的可穿戴的电化学pH传感器（图 3(a))，其对pH的传感来自于电聚合的PANI导电聚合物，该聚合物能够随pH变化呈现出电势的改变，如图3(b)所示。
图 3. 绷带型pH传感器(a)以及该传感器在模拟伤口处随pH变化。
最近，可穿戴的pH传感器的信号传输也备受关注。目前主要是通过无线技术传递pH信号，以及与光学信号的结合，如图4。
图 4. (a) pH传感绷带。(b) 开路电压随pH的变化。(c) pH传感智能绷带数据采集装置。(d)pH智能绷带的传感图谱。
文章最后，作者提出了柔性可穿戴的pH传感器未来可能的发展方向，比如开发适用于大面积慢性创伤的具有生物相容性的柔性pH传感器, 开发可在创面处直接原位制备柔性智能pH传感敷料以及更加精确的pH颜色传感器等。
Advances in flexible and wearable pH sensors for wound healing monitoring
Mei Qin, Hao Guo, Zhang Dai, Xu Yan and Xin Ning
J. Semicond. 2019, 40(11), 111607
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111607
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8. 基于类石墨烯二维/二维纳米复合材料的气体传感器研究进展
二维（2D）纳米材料因其固有的高比表面积、独特的电子性能和柔韧性能，在柔性气体传感领域显示出巨大潜力。然而，在将其实际应用到气体检测领域之前仍有许多挑战亟需解决，如灵敏度、选择性、响应时间、恢复时间和稳定性等。最近已有关于开发类石墨烯的2D / 2D纳米复合材料作为实现高性能2D气体传感器有效方法的报道。
广州大学物理与电子工程学院张邵林教授等讨论了用于气体传感器的2D / 2D纳米复合材料的最新进展。文中首先详细阐述了气体传感机制和2D / 2D杂化用于传感器材料的好处，而后系统地介绍了目前基于不同类别的2D / 2D纳米复合材料的气体传感应用。最后，本文总结了2D / 2D纳米复合材料在气体传感应用中的前景。
图1. 不同（a）辐照量和（b）H2刻蚀时间制备的DGr/Gr杂化材料在室温下对100 ppm NO2的传感响应。（c）基于DGr/Gr的气体传感器响应恢复曲线；（d）不同NO2浓度下的动态响应。（e）在室温下对100 ppm NO2的循环响应。（f）基于DGr/Gr的气体传感器在室温下对不同气体种类的响应。
Recent progress on gas sensors based on graphene-like 2D/2D nanocomposites
Songyang Yuan and Shaolin Zhang
J. Semicond. 2019, 40(11), 111608
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/111608
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9. 丝网印刷法制备的基于多孔PDMS和可拉伸PEDOT:PSS电极的柔性摩擦纳米发电机
近年来可穿戴与可拉伸电子设备的快速发展对皮肤亲和性的电源提出了超出现有工业电池技术的要求。在新兴的电池替代器件中，由自身可拉伸材料制备的摩擦纳米发电机因其具有柔性和高效的特点而被广泛关注，展示出了巨大的应用潜力。
在本文中，美国圣路易斯华盛顿大学的王川教授课题组制备了一种基于多孔结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和可拉伸聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)电极的新型结构的柔性摩擦纳米发电机。多孔结构的PDMS以自组装的聚苯乙烯（PS）微米球为模板，经过溶剂蚀刻而得到，具有极高的规整度和结构稳定性。同时，纳米发电机的电极无需光刻，直接由丝网印刷法制备，使得器件的成本得以大大降低。在性能方面，基于多孔PDMS结构的摩擦纳米发电机相对于传统的无孔PDMS结构的摩擦纳米发电机展现出了2.5倍的输出电压和1.6倍的输出电流提升，显示出了多孔结构的优越性。本文也对制备的多孔摩擦纳米发电机对负载力大小和频率的输出响应进行了研究。本文的研究成果将有可能对基于PDMS结构的摩擦纳米发电机结构改性提供一定的参考意见。
图1. （a）多孔PDMS TENG器件制造工艺示意图。（b）多孔PDMS TENG装置结构示意图。多孔PDMS薄膜的扫描电镜图像（c）截面图和（d）俯视图。（e）PEDOT:PSS电极和（f）PEDOT:PSS/多孔PDMS界面的SEM图像。（g）制作成功的多孔PDMS TENG的照片。
Screen-printed soft triboelectric nanogenerator with porous PDMS and stretchable PEDOT:PSS electrode
Haochuan Wan, Yunqi Cao, Li-Wei Lo, Zhihao Xu, Nelson Sepúlveda and Chuan Wang
J. Semicond. 2019, 40(11), 112601
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/112601
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10. PAA-PMDS自愈自粘弹性体的一锅法制备及应用
通过聚（丙烯酸）（PAA）与羟基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS-OH）之间的高效便捷反应，电子科技大学光电科学与工程学院太惠玲教授等开发了一种透明、生物相容性好、自粘且可自愈得弹性体新家族。PAA和PDMS-OH间的缩合反应已通过衰减的全反射傅立叶变换红外（ATR-FTIR）光谱得到了证实。制备的PAA-PDMS弹性体机械强度高、对人体皮肤的粘合性强，并且在室温下（在约10 s之内效率可高达98％）有快速的自愈能力。
通过将PAA-PDMS组装为包装层，并将聚醚酰亚胺还原的氧化石墨烯（PEI-rGO）组装为应变传感层可以用来制造应变传感器。PAA-PDMS / PEI-rGO传感器对轻微的物理形变具有稳定而可靠的响应，可以将它们直接粘在皮肤上用以监测人体的运动。同时，应变传感器可以快速、完全地自我修复，并且被浅划伤表面后仍可以重新用于运动检测。该项研究为制造高性能的自粘和自修复材料提供了新的机会。
图4. 愈合的PAA-PDMS弹性体的OM和扫描电镜图像。（a）F-3-1自愈过程的OM图像，无任何外部刺激。（b）F-3-1在蒸汽处理下的自愈合过程（表面切割）的SEM图像，该过程在约3 min内完成。
One-pot Preparation and Applications of Self-healing, Self-adhesive PAA-PMDS Elastomers
Yujin Yao, Huiling Tai, Dongsheng Wang, Yadong Jiang, Zhen Yuan and Yonghao Zheng
J. Semicond. 2019, 40(11), 112602
doi: 10.1088/1674-4926/40/11/112602
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