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研究背景

类皮肤传感器（Skin-like sensors，SLS）是一种新型电子设备，可以通过模拟真实皮肤来感知外部压力、温度和湿度。SLS主要由柔性有机材料制成，且通常包含特殊的几何设计，其具体制造策略包括在柔性基板上负载导电填料、应用导电聚合物水凝胶和封装液态金属。随着对能量采集和传感精度的要求不断提高，新型微纳功能器件逐渐融入了SLS的设计，其中纳米发电机（Nanogenerator，NG）已经成为SLS的重要分支。NG不仅可以从环境中收集机械能、热能和其他形式能量，并将其转换为电能为小型电子设备供电；同时NG自身亦是一种新型的主动式传感器，具有自供电、高电压、低成本等优点。在人工智能（Artificial intelligence，AI）的加持下，基于柔性NG的SLS有望实现优异的生物相容性、舒适的穿戴体验、自供能和高精度传感。

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文章概述

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟、罗聃团队联合江汉大学吴钰祥系统综述了基于柔性纳米发电机SLS的工作原理、演化过程和通用制备策略，其中着重介绍了AI增强SLS近年来的重要研究进展，并根据工作原理和应用方向对上述工作进行了系统的分析和全面的比较。在展望部分，作者还列举了当前研究者所关注的如应力适配、可拉伸性-导电性、算法优化、功能集成等热点问题，并针对性地提出了潜在解决方案。作者希望未来通过AI与柔性NG的深度融合，在生物医学工程领域实现更多更有价值的应用。

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图文导读

纳米发电机的原理

纳米发电机目前已成为能量采集和传感器领域的研究热点。作为一种自供电器件，NG可以替代传统的发电或储能装备，特别是在电源不易获取（如野外环境中的传感器）和电池难以更换（如心脏起搏器）的场景中具有巨大的优势。另一方面，NG还可以作为具有高灵敏度、高稳定性的自供电传感器，监测人体的生理信号、运动信息和所处环境参数。NG具有广泛的材料选择性，柔性高分子材料、液态离子导体，甚至液态金属，都可以作为NG的摩擦层材料。此外NG亦具有多种工作模式和结构设计，无论在功能上还是结构上都能满足SLS的需求。因此，当NG的概念首次被提出时，科学界已经意识到基于NG的自供电传感器具有巨大的研究潜力和广泛的应用价值。

图1. NG的工作原理。

（a） 摩擦纳米发电机的四种工作模式。（b） 压电纳米发电机的工作原理。（c） NG的特点和优势。（d） NG能量的主要来源形式。

人工智能增强的基于柔性纳米发电机类皮肤传感器的原理

通过对人类触觉信息转导途径的回顾有助于理解人工智能增强的基于柔性纳米发电机类皮肤传感器的基本原理。触觉信息转导途径分为以下步骤：皮肤的触觉感受器感知外部刺激；通过神经系统将信息传输到大脑；最终通过分析判断接触对象的物理信息（如材质、粗糙度等）。相似的是，人工智能增强的基于柔性纳米发电机类皮肤传感器也由两部分组成：负责采集传感器信号的硬件端，和处理采集信息并做出综合判断的软件端。SLS通常依赖基于各种原理的传感器（如摩擦纳米发电机和压电纳米发电机，以及传统的光学传感器、压阻传感器、电容传感器等）实现信号采集。而AI则类似人类的大脑，对获取的数据进行综合分析和判断。SLS可实时采集大量的数据但缺乏有效的处理和分析手段，而AI恰好可以利用大样本数据实现模型的精准构建，两者相得益彰。为了更直观地展示AI、NG和SLS之间的联系和研究现状，作者绘制了基于引文信息和关键词的共现图。气泡的大小表示该关键词出现的频率，不同颜色则反映不同的簇。根据这种方法，读者可以直观地了解当前的研究热点和各种技术间的结合点。

图2. 类比人类触觉传导路径有助于理解人工智能增强的基于柔性纳米发电机类皮肤传感器的原理。

图3. AI、NG和电子皮肤的引文和关键词共现图。

主要应用展示

生理信号是有助于早期疾病预防、治疗和预后康复的宝贵数据来源。基于柔性纳米发电机类皮肤传感器具有机械信号检测和能量采集功能，可以监测呼吸、心率和脉搏等生理信号，非常适合于疾病早期和恢复阶段的持续监测。

图4. SLS在生理信号采集中的应用。

论文信息：

Artificial intelligence-enhanced skin like sensors based on flexible nanogenerators.

Yiqian Wang#, Puchuan Tan#, Yuxiang Wu*, Dan Luo*, Zhou Li*

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DOI: 10.1002/VIW.20220026