可穿戴技术(WT)能够实现实时感知穿戴者及其周围环境的感知信息，因此在医疗、体育、机器人、国防等领域都具有广阔的发展空间。特别是，医疗保健理念的变革与发展，使得人们的健康防护观念从以医院为中心的诊断学向以病人为中心的诊断学的转变，大大刺激了可穿戴市场发展。2016年全球市场WT设备数量达到1.25亿台，预计到2021年用户将接近9亿台，平均复合年增长率(CAGR)为23%。据IDTechEx预计，可穿戴的市场份额在2025年将增长到750亿美元以上。
然而，目前的WT产品多以Fitbit、Apple watch、小米手环、谷歌眼镜为主要代表。这些可穿戴产品多是基于硬质的半导体工艺，因此难以附和人体表面，且其难以获得准确数据因此市场规模非常有限。总的来说，目前的可穿戴产品存在以下问题：
a) 穿着体验不舒适。当前的可穿戴设备主要局限于电子产品，如腕带/手表/眼镜/耳环。集成较多电子设备的这些可穿戴产品多数都显得非常笨重。在美国，很多消费者戴着笨重的谷歌眼镜仍然觉得很尴尬。
b) 缺乏有用的信息。目前可穿戴传感器主要由加速度计构成，加速度计只能提供有限的运动信息。更有用的信息，如皮肤/肌肉拉伸/变形/生物标记等，任何现有的可穿戴产品不能提供。
c) 传感精度差。人体是柔软的，但目前的可穿戴传感器是刚性的。因此传感器与人体皮肤表面存在较大的杨氏模量差距。当人们移动时，刚性传感器会从柔软的身体表面脱臼，这可能导致数据记录不准确。如果不能保证生物特征信息的准确性，所获得的数据就不能用来判断健康状况。因此，数据的准确性是可穿戴生物诊断的前提。
未来的可穿戴设备必须超越传统的刚性刚性半导体技术和硬质电路工艺，实现轻薄，柔软，有弹性，便宜，耐用等特点。这些设备将是直接接触皮肤的，具有柔性可拉伸，可弯曲和变形时刻的良好的传感性能。这类颠覆性的WT产品最终将把当前的刚性穿戴式1.0产品转变为未来的穿戴式2.0产品(图1)，实现随时随地灵敏、准确、具体的健康监测。
图1可穿戴1.0到可穿戴2.0。从“隐形/适形至皮肤”的发展趋势
尽管颠覆性的柔性WT仍处于发展的萌芽阶段，但全球范围内发展势头非常猛烈。不同于通常从设备开始的穿戴式1.0，穿戴式2.0要求设计从材料创新开始。在这种背景下，新颖的结构设计和使用新颖的材料是两种可行的策略。对于后者，各种纳米材料如银纳米线、金纳米线、碳纳米管、石墨烯等得到了广泛的探索。
图2为一个典型的柔性WT设备的研究全面覆盖了渐进序列的所有关键组件，即穿戴→感知→交流→分析→解释→判定。这需要跨领域的多学科协作。可穿戴材料的设计应以软/硬材料界面、透气性、生物相容性等因素为出发点。然后，可穿戴传感器可以制作和评估的关键参数，包括灵敏度、特异性、可重用性和耐久性。一旦对传感器的性能进行了全面评估，就需要考虑与无线信号传输模块的集成。
可穿戴的另一大限制因素是电源解决方案。令人鼓舞的是，目前市面上已经看到了商业化的纸电池和柔性锂电池产品。除了硬件之外，设计用户友好的软件界面也是非常必要的，软件程序通过无线方式与可穿戴产品链接实现实时获得神物体信号信号数据。这些信号将被分析和解释，使快速信号处理和决策支持的高效算法成为可能。对电信号的分析将有助于理解和预测生物特征数据与软可穿戴材料产生的传感信号之间的关系。这将使我们了解与生物条件相关的关键参数，如心脏健康、运动活动、和老年护理行为。
目前的电路板已演变成高度小型化的产品。然而，刚性的衬底材料导致了现有可穿戴电子产品中的局限，无法与柔软曲线的人体进行共形整合。理想的可穿戴传感器需要在弯曲、拉伸或扭曲等严重变形时依然保持良好的传感性能。
在过去的十年里，人们在材料开发和设计方面取得了令人鼓舞的进展。通常，硅是不可拉伸的，但当将硅等材料设计成为波/折皱、折纸/木纹和蛇纹石等结构时，就可以实现一定限度的可拉伸的。比如，蛇形桥岛结构是一种应用最广泛的结构形式，其中刚性电子元件之间用蛇形线相互连接。在外部应变作用下，蛇形线可以在平面内外旋转，释放每个蛇形单元的应变能，保证了整个设备在拉伸过程依然具有良好的传感性能。
另一种方法是利用纳米材料与弹性体构建三维互传网络结构，实现可拉伸导电网络。所选择的导电材料通常为金属或者纳米碳材料与弹性体组成的符合材料。
图3 可穿戴设备2.0潜力的新型材料。a)金纳米颗粒，b)金纳米线，c)金纳米片，d)银纳米粒子，e)碳纳米管和f)石墨烯。g)液体金属，h)流体桥，i)导电聚合物，j)水凝胶
此外，液态金属和离子液体等导体也可作为新型的可穿戴设备的电极材料。例如，液态金属在室温下良好的导电性和流动性，是制备可拉伸电极的理想材料。通过注射法制备的液态金属导电纤维具有高达700%的拉伸性，同时还保持了金属导电的连续性。独特的流体特性和金属特性使得液态金属在可穿戴材料领域极大的吸引了人们的目光。
另外一种应用比较广泛的可穿戴材料是导电聚合物。导电聚合物由于具有共轭芳香环结构，因此不易拉伸。以聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)为例，典型的高导电性可达到1000 S cm-1，但仅5%应变时就丧失了导电性。针对导电聚合物材料的可拉伸性开发，主要是通过导电聚合物与拉伸增强剂(STEC)复合来解决可拉伸特性。STEC通常具有较低的杨氏模量，降低了导电聚合物整体的杨氏模量。并且STEC增强剂的存在能够提高导电结构域(PEDOT)聚合程度，在PSS相内部生成部分晶体网络(图3i)。在导电性和可拉伸性方面的协同效应使PEDOT:PSS能够在100%应变下依然保持良好的导电性。
水凝胶是另一种常用的可穿戴材料。与离子液体类似，水凝胶中的水合聚合物基质能够使得离子自由移动实现导电传导。水凝胶的杨氏模量与人体皮肤和组织相匹配，从而建立保形接触。尽管水凝胶很柔软，但是其韧性较强。通过整合聚合物骨架间的共价交联和Ca2+与羧基间的离子交联，两个交联协同制成的水凝胶具有1700%以上的超高拉伸性能(图3j)。当受到外部拉伸时，离子交联首先被拉开以承受应变能，而共价交联的存在限制了聚合物链的运动，导致可逆拉伸。
选择合适的材料和设计，可穿戴传感器可以实现采用多种信号的采集与传导。比如，利用金属导体和离子导体上的双电层(EDL)实现对于压力和应变的精确检测。检测的灵敏度要比传统的介电电容传感器高三个数量级。当使用离子液体作为EDL的电解质时，既可以实现电化学信号检测。
根据信号类型，所有的可穿戴传感器可以分为三种:电生理、物理、和化学传感器(图4)。电生理传感器可以实现心,脑和肌肉等组织和器官的检测。物理传感器测量机械、温度或光学刺激下的电特性变化。化学传感器通过活动电极识别或量化分析物(包括离子、分子、蛋白质等)，这些活动电极可以根据特定的化学物质进行定制。
图4 可穿戴传感器
可穿戴系统的基础研究除了材料和响应的传感器之外，器件的系统集成以及信号解读与传输也非常重要。虽然传统的半导体工艺中已经实现了复杂系统的集成，但是在可穿戴2.0时代，将柔性传感器与硬质的电子元器件集成一体，并且能够完美适用皮肤界面而困难重重。过去的十年中，可穿戴的系统集成方面进展迅速，目前已经开发了很多方案可以实现柔性集成：设计新型的可拉伸结构，制备可拉伸材料，或将两者进行有机结合。许多新颖的结构设计如波浪结构和蛇形布局，使传统的刚性材料实现良好的拉伸性。此外，纳米材料的材料工程提供了实现本征可拉伸性的替代途径，这对于构建有源器件之间的电互连非常重要。将材料与结构相结合，开发出各种可伸缩电子、光电子和集成功能系统。
柔性应力传感器，包括压力、应变、扭转等传感器，在电子皮肤、柔性显示器、软机器人等各种应用中具有至关重要的作用。它们可以与传统电路集成，使用户友好的界面与移动电话。它甚至可能为高可拉伸的金纳米线补丁(可拉伸性800%)。例如，通过不同的面部传感器系统集成用来识别不同的情绪，并在屏幕上提供实时的面部表情(图5b)。
图5集成可穿戴传感器的皮肤上应用。a)金纳米线实时面部表情监测系统示意图。b)实时监控的面部表情。c)无线可穿戴的离子导入生物传感器平台，用于人体对葡萄糖和酒精的传感。d)监控多个电物理信号的无线传感器系统。e) 贴敷与皮肤上的柔性传感器可以承受拉伸和挤压等状态。f)三维可拉伸电子系统。
还可以将化学传感器与无线电路集成，用于监测各种人体体液。例如，集成有集成有葡萄糖和酒精的生物传感器的可穿戴生物监测平台中，能够实时读取生物体表的葡萄糖和乙醇信息，并可通过无线传输设备输送到手机端。
虽然已经基本实现了将柔性传感器与电路系统的有机集成能够良好的匹配人体界面，但在如何实现在动态条件人体表面的稳定性连接仍是一个挑战。
总的来说，不同于目前可穿戴1.0产品从设备开始，颠覆性的可穿戴2.0技术可能从零开始，即材料和设计创新，利用金属纳米线、碳材料、导电聚合物、离子液体和液态金属等多种材料制造各种柔性传感器，成功地尝试将它们集成到无线收集生物特征数据的混合电子系统中。可穿戴2.0已经初具形态。
然而，目前的研究还仅限于解决柔性生物材料和刚性电子材料之间的机械不匹配性。事实上，在可穿戴生物集成传感系统方面还存在其他本质差异，因为生物学和电子学实际上是两个截然不同的系统。智能生物软感知系统如眼、耳、鼻、突触等可以启发我们设计仿生软感知系统来检测生理、物理、化学生物信号。为了实现这一目标，跨学术界、产业界和政府的多学科合作非常重要。有了这样一个完全柔软和生物兼容的可穿戴传感系统，我们将实现生物集成电子的终极梦想。
Yunzhi Ling, Tiance An, Lim Wei Yap, BowenZhu, Shu Gong, and Wenlong Cheng. Disruptive, Soft, Wearable Sensors. Adv.Mater. 2019, 1904664.
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