综述：电致变色柔性生物传感平台的多维融合

研究背景

传统传感器系统在信号转导中难以提供直接视觉反馈，导致用户与设备间存在认知断层。而电致变色（EC）技术与柔性生物传感器的融合，构建出可视化的交互界面，让生理与环境数据通过颜色变化直观呈现。这一跨学科创新不仅解决了传统传感的痛点，更推动柔性电子从单一检测向多功能集成迈出关键一步。

相关报道以：Electrochromic-Based Visualised Flexible Biosensing Platforms: From Single Device to Multifunctional Device Integration发表在《Chemical Society Review》上，北京航空航天大学潘曹峰，昆明理工大学杨正文/刘月为共同通讯作者。

一、核心技术：为何选择电致变色与柔性传感的“双向奔赴”

1. 柔性生物传感器：精准捕获多维信号

柔性生物传感器涵盖压力、汗液、温度、湿度四大核心模块，凭借非侵入性优势实现实时监测：

- 压力传感器通过压阻、电容等机制，捕捉心血管健康、触觉交互等微小压力变化；

- 汗液传感器解析电解质、葡萄糖等生物标志物，反映代谢状态与健康水平；

- 温度传感器实时追踪体表与环境温度，为生理调控提供数据支撑；

- 湿度传感器监测呼吸、皮肤 hydration 状态，助力环境适应与健康管理。

这些传感器通过材料创新（如MXene、导电聚合物）与结构优化（3D打印微结构、仿生设计），在灵敏度、柔性、稳定性上实现突破，为集成化奠定基础。

2. 电致变色器件：低功耗可视化核心

电致变色器件（ECDs）通过 redox 反应可逆调节光学特性，成为传感可视化的理想选择：

- 核心优势显著：低功耗（仅状态切换需能）、高对比度（50-80%可见光谱调制）、柔性兼容（可变形基底制备）；

- 材料体系丰富：无机材料（WO?、普鲁士蓝）、有机材料（PEDOT:PSS、紫罗精）及复合材料，实现多色调控与性能互补；

- 应用场景广泛：从可穿戴健康监测到人机交互，无需外部设备即可实现裸眼读数。

二、集成挑战：从单一器件到多功能系统的“拦路虎”

将柔性传感器与电致变色器件融合，并非简单物理堆叠，而是面临多重系统级挑战：

1. 能量与信号兼容：传感器输出信号（通常<1V）与ECDs驱动电压（1-3V）不匹配，导致能量损耗与转换低效；

2. 界面与机械适配：功能层间力学性能差异引发剪切应力，可能导致分层或信号失真；

3. 环境干扰问题：汗液中的生物分子易造成生物污染，ECDs工作时的焦耳热会干扰温度检测，湿度传感器的暴露需求与ECDs的密封要求存在矛盾；

4. 响应同步性：传感器毫秒级响应与ECDs秒级变色存在时差，影响实时可视化效果。

三、创新策略：破解集成难题的多维方案

1. 材料与结构协同优化

- 材料创新：开发兼具传感与电致变色功能的复合体系，如量子点-温敏聚合物杂化膜、WO?@PEDOT核壳纳米材料；

- 结构设计：采用互穿网络增强界面韧性，通过梯度微结构平衡传感器灵敏度与检测范围，利用微流控通道实现汗液高效收集与离子隔离。

2. 性能匹配与信号调控

- 能量优化：借助生物燃料电池实现自供电，直接匹配ECDs热力学平衡电位，减少能量损耗；

- 信号 decoupling：采用双频阻抗光谱技术区分传感与驱动信号，避免相互干扰；

- 响应同步：通过优化离子传输路径与脉冲驱动策略，缩小传感器与ECDs的响应时差。

3. 多场景集成案例

目前已实现多项原型验证：

- 压力-EC集成系统：通过分布式阵列结构，将压力变化转化为颜色强度梯度，无需外围电路即可直观显示压力分布；

- 汗液-EC监测贴片：屏幕印刷制备的乳酸检测平台，通过彩色条带裸眼读取代谢数据，实现自供电与微型化；

- 温湿度双响应系统：结合光子晶体与EC材料，同步实现环境温湿度的可视化监测。

四、未来展望：从感知到干预的全链条升级

电致变色柔性生物传感平台的发展，将聚焦四大突破方向：

1. 材料界面协同：开发多模态智能材料，解决生物与非生物系统能级不匹配问题，通过原子层沉积技术提升稳定性；

2. 结构与能效革新：向生物集成化结构演进，优化能量转换效率，实现长时稳定运行；

3. 智能闭环系统：构建脉冲神经网络架构，结合分布式反馈激光实现信号闭环控制，提升多参数实时反馈能力；

4. 生物相容性提升：降低器件杨氏模量至皮肤适配水平，通过仿生拓扑结构增强界面贴合度，实现“类皮肤”感知体验。

总结

电致变色与柔性生物传感的融合，打破了“检测-解读”的分离模式，构建出“感知-可视化-交互”的一体化体系。这一跨学科创新不仅推动可穿戴电子向更智能、更便捷的方向发展，更在精准医疗、人机交互、环境监测等领域展现出巨大应用潜力。随着材料基因工程、异质集成策略的持续突破，柔性可视化传感平台将从被动监测迈向主动干预，重新定义人类与智能设备的交互方式。

文献链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/CS/D5CS00386E

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视频号：#柔性电子那些事