南京大學余林蔚教授團隊：基于納米線的柔性傳感在可穿戴電子、腦機接口與電子皮膚的應用新進展

【引言】

近日，南京大學余林蔚教授團隊在高起點新刊Electron上發表了題為“Nanowire-Based Flexible Sensors for Wearable Electronics, Brain-Computer Interfaces, and Artificial Skins”的文章，南京大學電子科學與工程學院博士后宋曉攀和蘇州大學未來科學與工程學院顧洋同學（目前保送到南京大學本課題組繼續深造）為共同第一作者。南京大學余林蔚教授和蘇州大學王勝老師為共同通訊作者。該綜述系統性闡述了納米線在可穿戴電子、腦機接口與人工皮膚領域的柔性傳感應用，從原理、機制和結構的角度詳細地介紹了基于納米線柔性傳感在各類新興領域的優勢與發展前景，提出了其在實際應用面臨的挑戰并展望了未來發展方向。

傳感技術在手機、自動駕駛汽車和健康監測等領域廣泛應用，但傳統剛性材料傳感器在柔性和穩定性方面存在局限。為滿足柔性電子設備的需求，研究聚焦于納米材料和新型結構設計，如一維納米線和二維薄膜，通過幾何優化和自下而上生長方法顯著提升了材料的機械柔韌性和電學性能。金屬納米線（如銀、銅納米線）和半導體納米線（如硅納米線）因其高縱橫比、生物相容性和可調光學及電學特性，在柔性傳感、腦機接口和醫療診斷中展現出巨大潛力。

【圖文導讀】

1. 基于納米線的柔性傳感在可穿戴電子、腦機接口與人工皮膚的應用
隨著材料尺寸縮小至納米級別，缺陷的引入和裂紋的形成減少，賦予了納米線良好的機械柔韌性，使其能夠在不造成損害的情況下承受小應變，并與柔性基板集成，成為電子設備中關鍵但微小的部分，這種特性使得基于納米線的傳感器具備優良的彎曲和拉伸性能。此外，納米線的一維結構為柔性電子提供了可靠且高效的導電通道，并能以較低的導電材料消耗有效降低導電填料的滲透閾值。相比薄膜，納米線的高縱橫比確保了其網絡能夠展現出優異的光學性能。納米線高的表面積體積比使其能更好地與測量目標相互作用，同時其尺寸接近量子尺寸效應，這兩個因素共同賦予了納米線卓越的靈敏度。這些優勢使得納米線在可穿戴電子、腦機接口與人工皮膚等領域具有重要的潛力與前景（圖1所示）。

圖1. 基于納米線結構的柔性傳感在可穿戴電子、腦機接口與人工皮膚的應用

2. 基于不同策略的納米線制備與轉移
“自上而下”方法主要通過光刻技術和模板法制備納米線，光刻技術利用光學原理實現高精度納米線刻蝕，而模板法則通過硬模板或軟模板控制納米線形貌，適用于大規模生產。“自下而上”方法則通過增材工藝，從原子或分子層面引導納米線生長，具有成本低、效率高的優勢。與經典的的氣-液-固（VLS）方法相比，南京大學余林蔚教授團隊首先提出并發展的平面固-液-固（IPSLS）機制通過使用非晶硅薄膜作為前驅體而非氣態硅烷，不僅避免了垂直生長的限制，還實現了在低溫下沉積并促使催化劑沿襯底平面吸收硅原子進行納米線的橫向生長，通過簡單的臺階引導，還實現納米線的精準形貌設計，在柔性電子器件領域具有無限應用潛力。由于固態非晶硅中的硅原子濃度遠高于氣態硅烷，IPSLS方法顯著提高了納米線的生長速率，可在最優條件下達到VLS方法的一百倍以上，同時相比于“自上而下”策略降低了對高分辨率光刻技術的依賴，可以實現可定位的硅納米線的生長與集成。“自上而下”方法在精度和定位方面表現優異，但產量低、成本高；自下而上方法適合大規模生產，但在均勻性和精確定位方面存在局限。結合兩者的優勢，開發兼具高精度和大規模生產能力的技術，將推動納米線在柔性傳感器等領域的廣泛應用。

圖2. 基于“自上而下”與“自下而上”策略合成納米線

3. 納米線柔性傳感器在可穿戴電子方面的應用
實時生物特征監測，包括活動追蹤、呼吸監測、睡眠監測、心率監測、血壓監測以及其他攜帶生物特征信息的信號檢測，在過去幾十年中隨著醫療技術的進步變得越來越重要。與傳統龐大且昂貴的監測設備相比，可穿戴電子設備無疑提供了一種緊湊、便攜、低成本且低功耗的替代方案，適合長期佩戴以進行連續信號檢測。此外，可穿戴電子設備的應用不僅限于從身體收集信號；傳感器作為人類的第三只“電子眼”，可以接收外部信號如壓力、溫度、濕度等，并進行量化和顯示，增強或補償人們對外部信號的感知能力。納米線作為柔性傳感器重要的材料選擇之一，因其良好的機械與電學性能，在穿戴需求背景下展現出良好的應用價值和廣闊的發展前景。

圖3. 納米線柔性傳感器在可穿戴電子方面的應用

4. 納米線柔性傳感器在腦機接口方面的應用
腦機接口（BCIs）技術作為探索大腦運作機制及思維產生原理的關鍵工具，通過實時監測和解析腦信號，在高效通信、低延遲控制以及治療多種腦部疾病等方面展現了巨大的潛力。腦機接口的發展得益于計算機技術和信號處理技術的進步，使得從腦電圖（EEGs）中提取有價值信息成為可能。根據其操作方式的不同，腦機接口主要分為侵入式與非侵入式兩種類型。在侵入式腦機接口中，納米線技術的重要性尤為突出，它不僅能夠顯著減小探針尺寸，從而減少對腦組織的損傷并降低炎癥反應的風險，還因其優異的空間分辨率和增強的導電性提高了信號監測的穩定性和精確度，為長期穩定監測提供了可能。對于非侵入式腦機接口而言，干電極結合納米線的應用解決了傳統電極面臨的接觸不穩定性和導電性問題，通過提高干電極的導電性有效降低了接觸阻抗，并改善了信噪比，使得便攜式、高性能且適合長期使用的腦機接口系統成為現實。因此，納米線技術無論是在提升侵入式腦機接口的安全性和穩定性，還是在優化非侵入式腦機接口的性能方面，都起到了至關重要的作用，極大地推動了腦機接口技術的發展及其在外部控制和醫療診斷中的應用。

圖4. 納米線柔性傳感器在腦機接口方面的應用

5. 納米線柔性傳感器在人工皮膚方面的應用
皮膚作為人體最大的器官，不僅保護我們免受外部環境因素的影響，調節包括體溫在內的體內平衡，還通過觸覺幫助檢測各種內部和外部干擾，如壓力、應變、振動、溫度、疼痛和化學物質，對人體執行重要功能。鑒于此，利用電子設備模仿人類皮膚的功能——即所謂的電子皮膚（e-skin），引起了極大的關注。電子皮膚最基本的特點在于其可拉伸性，這對傳統的剛性傳感器構成了重大挑戰。然而，柔性傳感器能夠有效應對這一挑戰，并被集成到電子皮膚中。納米線在柔性傳感中作為出色的功能載體，提供了高靈敏度、良好的機械性能、優異的光學透明性和可定制的形態特征，使得實現諸如觸覺感應、能量收集與儲存以及同步加熱等高精度甚至集成化功能成為可能。可以預見，作為一種新一代傳感器，電子皮膚具有廣闊的發展和應用前景。納米線的應用在提升電子皮膚性能方面扮演了至關重要的角色，推動了電子皮膚向著更加靈敏、多功能和實用化的方向發展。

圖5. 納米線柔性傳感器在人工皮膚方面的應用

【結論與展望】

這篇綜述系統地探討了基于納米線的柔性傳感器在可穿戴電子設備、腦機接口和人造皮膚領域中的先進制造技術和最新發展，這些進展主要受到智能技術時代對健康監測、工業創新和日常生活便利性日益增長的需求驅動。作為準一維材料，具有高縱橫比、優異電性能和卓越機械性能的納米線是開發高性能柔性電子產品的理想選擇。此外，納米線良好的生物相容性和對組織損傷的最小化對于腦機接口應用中實現長期穩定且高性能的腦電信號監測和刺激至關重要。過去十年間，關于納米線制造的研究大多集中在“自上而下”的方法上。同時，為了解決精確控制納米線位置、形態和均勻性的挑戰，“自下而上”的生長方法也被探索。這些努力共同促成了一個成熟的理論框架，用于合成、轉移和組裝納米線。特別地，通過精確控制生長條件或使用特定的模板輔助技術，可以微調納米線的形態、成分和排列，從而滿足特定應用需求。未來，預計基于納米線的柔性傳感器將找到更廣泛的應用，并有望開啟一個可擴展、成本效益高且高度生產力的制造平臺，極大地推進智能傳感技術的發展。然而，進一步發展基于納米線的柔性傳感器需要系統的探索和全面考慮，包括：
1. 材料創新：開發與納米線兼容的柔性有機/聚合物介電材料和導電材料將是未來研究的重點。
2. 能源供應與存儲：高效的能源來源和儲能技術對于支持可穿戴、便攜式和植入式設備中的柔性傳感器至關重要。
3. 生物相容性：改善納米線材料的生物相容性和優化其與生物組織的界面是重要的發展方向。
4. 多功能集成與智能化：未來的柔性納米線傳感器將整合多種功能，如感知、計算和通信，進入單一復雜系統。
5. 制造工藝與規模化生產：發展低成本、高通量的制造方法對于大規模生產至關重要。
針對工業生產方面，雖然那些對精度要求不高的柔性傳感器已被集成到制造過程中，但需要精確放置納米線的傳感器仍然面臨阻礙大規模生產的挑戰。為了應對這些挑戰并促進未來發展，可以采取諸如過程集成、材料創新、自動化和規模化以及標準化等策略。總之，基于納米線的柔性傳感器的未來發展需要一種系統的方法，考慮到材料、集成技術、能源供應、生物相容性、多功能集成和制造工藝等多個方面。通過跨學科合作和技術革新，基于納米線的柔性傳感器有潛力在醫療保健、人機交互及其他高科技領域扮演重要角色，帶來變革性變化。
該工作的開展得到了南京大學陳坤基教授，徐駿教授，王軍轉教授與蘇州大學孫斌老師的支持，受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金杰出青年基金、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省卓越博士后等項目基金的資助，在此一并表示衷心的感謝！

論文信息：
Xiaopan Song1#, Yang Gu2#, Sheng Wang2*, Junzhuan Wang1, Linwei Yu1*. Nanowire-Based Flexible Sensors for Wearable Electronics, Brain-Computer Interfaces, and Artificial Skins.
Corresponding Author: Sheng Wang, Linwei Yu
Electron, 2025; 00:e77
https://doi.org/10.1002/elt2.77

【前期相關工作】
1. Scalable Integration of High Sensitivity Strain Sensors Based on Silicon Nanowire Spring Array Directly Grown on Flexible Polyimide Films. Xiaopan Song, Yang Gu, Sheng Wang*, Junyu Fan, Junyang An, Lei Yan, Bin Sun, Junzhuan Wang, Linwei Yu*, Nano Letters, 25, 2290-2297 (2025)
2. Highly Stretchable High-Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors Integrated on Elastomer Substrates. Xiaopan Song, Ting Zhang, Lei Wu, Ruijin Hu, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*, Advances. Science, 9, 2105623 (2022).
3. Flexible silicon for high-performance photovoltaics, photodetectors and bio-interfaced electronics. Shuyi Wang, Xiaopan Song*, Jun Xu*, Junzhuan Wang, Linwei Yu*, Materials Horizons, DOI: 10.1039/d4mh01466a (2025).
4. Designable Integration of Silicide Nanowire Springs as Ultra-Compact and Stretchable Electronic Interconnections. Rongrong Yuan, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*, Small, 2104690 (2021).
5. Planar Growth, Integration, and Applications of Semiconducting Nanowires. Ying Sun, Taige Dong, Linwei Yu,* Jun Xu,* Kunji Chen, Advanced Materials, 32 1903945 (2020).
6. Highly Sensitive Ammonia Gas Detection at Room Temperature by Integratable Silicon Nanowire Field-Effect Sensors. Xiaopan Song, Ruijin Hu, Shun Xu, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*, ACS Applied Materials & Interfaces, 13 14377-14384 (2021).
7. High-Performance Transparent Silicon Nanowire Thin Film Transistors Integrated on Glass Substrates via a Room Temperature Solution Passivation. Xiaopan Song, Lei Wu, Yifei Liang, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*, Advanced Electronic Materials, 9 2201236 (2023).
8. Ultracompact single-nanowire-morphed grippers driven by vectorial Lorentz forces for dexterous robotic manipulations. Jiang Yan, Ying Zhang, Zongguang Liu, Junzhuan Wang, Jun Xu*, Linwei Yu*, Nature Communications, 14 3786 (2023).

課題組簡介：https://ese.nju.edu.cn/ylw