近日，机械工程学院吴晓东研究员与甘芳吉副教授和张顶成副教授合作，利用身边随处可见的金属腐蚀现象，通过合理的材料选择、组分优化、结构设计和系统集成，成功研发了一种新型电化学柔性压力传感器，实现了对静态和低频动态力学刺激的无源式监测，在多种人体生理信号监测方面表现出良好的应用前景。相关成果以 “Facile Construction of Electrochemical and Self-Powered Wearable Pressure Sensors Based on Metallic Corrosion Effects” 为题，发表在国际著名期刊《Nano Energy》上（影响因子：19.1，中科院1区Top期刊），论文第一作者为四川大学机械工程学院2019级本科生梁春（目前大四在读，发表3篇SCI论文，一作累计影响因子超过20），论文通讯作者为吴晓东特聘研究员。
柔性可穿戴力学传感器在多种新兴领域扮演着重要角色，如可穿戴健康监测、柔性人机交互、人工电子皮肤、智能机器人等。就目前而言，多数柔性力学传感器使用压阻式、电容式、晶体管式或光学器件等有源式传感原理，将外部力学刺激（如压力、震动、形变等）编码到电阻、电容、晶体管参数或光学器件参数的变化当中。该类柔性力学传感器非常适合用于检测静态或缓慢变化的力学刺激，然而这些器件需要持续的能量供应，单个传感单元的能量消耗可高达几十毫瓦级别，限制其在可穿戴设备中的长期应用和规模化部署。相比之下，基于压电、摩擦电、离子电等无源式传感原理的柔性力学传感器在机械刺激下其自身即可产生电信号输出，具有超低的功率消耗。然而，这类力学传感器通常只对动态或瞬态的机械刺激产生响应，而难以用于监测静态或者缓慢变化的力学刺激。因此，如何设计、构建一种不依赖外部电源，且具有良好的静态刺激监测能力的传感原理和器件，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
图1. 基于金属腐蚀效应构建电化学力学传感器的设计理念和应用前景。采用两种具有不同腐蚀活性的金属作为电极材料，在这两种金属电极之间夹放特定微结构化的固态离子电解质，基于此，两个活性电极与电解质界面上的金属腐蚀过程可以通过外部力学刺激任意调节，因此在两个金属电极之间测量的电位差信号输出也会随外界施加力学刺激的变化而发生连续变化，可实现对静态和低频动态力学刺激的监测。
图2. 柔性电化学力学传感器的工作原理和结构表征。当两种活性不同的金属材料放在一定浓度的腐蚀电解质溶液中，两种金属材料之间会测得一个电位差。利用该现象，通过固态电解质的材料选择、组分优化和结构调控，可以实现通过外界力学刺激来调控电极与电解质界面上的金属腐蚀过程，进而实现对器件电位差输出信号的调节，最终将外界力学刺激转化为器件的电位差信号输出。在传感过程中，测得的电位差信号均由传感器自身产生，无需任何外部能量输入，具有自供电传感特性。此外，当施加的压力保持恒定时，测得的电位差信号输出也保持相对稳定，这是很难通过传统压电或摩擦电传感机理来实现的。
图3. 柔性电化学力学传感器的响应行为和性能表征。通过不同策略（如调整电解质材料的组分或表面微结构、调整金属电极组合方式、调整传感器几何构型等），可轻易调控该传感器的响应行为与传感性能。与传统电阻式、电容式、晶体管式、摩擦电式、压电式等传感器件相比，该种电化学力学传感器表现出相当或甚至更优越的传感性能，且具有显著的经济性和规模化优势。
图4. 所研发柔性电化学力学传感器在结合机器学习进行语音识别方面的应用探索。本工作除了材料性质研究、结构设计和优化、传感机理创新之外，还涉及特殊电位信号的信号采集系统、数据处理和传输方法、机器学习算法，通过上述多个学科领域的交叉与融合，最终实现了高准确率（99.05%）的语音识别和预测，为未来可穿戴智能器件、人机交互设备等前沿交叉领域提供了新的技术支持。
本工作通过材料学、电化学、结构设计、电子技术、人工智能算法、可穿戴健康监测等多个领域的交叉与融合，探索和开发了一种简便、有效、经济节约、可规模化的新型力学传感器件，为未来可穿戴健康监测和柔性人机交互等领域提供了新原理和新方法。
本文第一作者为梁春同学，为四川大学机械工程学院材料成型及控制工程系2019级本科生，目前大四在读，2021年10月加入柔性智能感知课题组（Smart-X Lab），以第一作者身份发表Nano Energy（IF=19.1，1区Top期刊，川大B刊）和Sensors（IF=3.8，川大C刊）SCI论文各一篇，以共同作者返修Chemical Engineering Journal（IF= 16.7 ，1区Top期刊，川大B刊）一篇。
本文通讯作者吴晓东为四川大学机械工程学院特聘研究员，柔性智能感知课题组（Smart-X Lab）负责人，四川大学“双百人才工程”入选者。长期致力于柔性智能传感、可穿戴健康监测、人工电子皮肤等交叉领域的研究，以第一作者或通讯作者在国际顶级/著名期刊Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A等知名学术期刊发表研究论文20余篇，其中1区Top期刊16篇，论文被引用2500余次，H指数24。申请国际发明专利2项，国家发明专利2项。
文献链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522010321
