摘要:

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1. 文章导读

基于纳米材料的柔性传感器（Nanomaterials-based Flexible Sensors, NMFSs）可以紧密地附着在人体皮肤上或与衣服结合，用以监测人体的生理信息、提供医疗数据、或探索元宇宙空间。由于纳米材料易于加工、良好的导电性和生物兼容性，它们已被广泛地应用于柔性传感器。本文综述回顾了近五年内在NMFSs方面的进展，涉及不同维度的纳米材料，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜。并且讨论了NMFSs和元空间/虚拟现实交互的触发方式，如皮肤机械触发、温度触发、磁力触发和神经触发界面。在连接物理世界和虚拟世界的背景下，机器学习已经成为辅助传感器数据控制元宇宙/虚拟现实空间中的化身的主要工具之一，许多机器学习算法已经被提出用于虚拟交互技术。进一步展望了NMFSs在元宇宙/虚拟现实应用中的优势和前景。近期，长春理工大学物理学院、国家纳米操纵与制造国际联合研究中心的王建飞博士生、索姣博士（共同一作，香港城市大学）、宋正勋教授、李文荣教授（香港城市大学），和王作斌教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《基于纳米材料的柔性传感器在元宇宙/虚拟现实中的应用》的综述，系统介绍了NMFSs的研究背景、最新进展及未来展望。
亮点：
● 简要回顾了用于柔性传感器的不同维度的纳米材料。
● 总结了柔性纳米材料传感器与虚拟现实交互的触发机制。
● 机器学习结合柔性纳米材料传感器在元宇宙/虚拟现实中得到了广泛的应用。
● 柔性传感器在未来元宇宙技术中有着巨大的应用前景。

图1  本文的思维导图以及用于多模态感知界面的未来元宇宙系统的概念图。未来的元宇宙系统包括一个神经触发的界面传感器（i）。经许可转载自WILEY。©2019年由Wiley在线图书馆出版。一个可以根据地磁场提供反馈的磁传感器（ii）。经授权转载自ACS。©2021年由美国化学会。一种可以依靠皮肤的机械力进行互动并提供生理信号监测的电子皮肤（iii）。经AAAS许可转载。©2022年由美国科学促进会。还有一个能反馈体表温度和环境温度的传感器（iv）。经许可转载自WILEY。©2021年由Wiley在线图书馆。

2. 研究背景

目前，移动互联网作为一种无处不在的工具，使我们的生活更加便利。元宇宙/虚拟现实的概念被引入，将移动互联网自然地融入到人们的工作和个人生活中，以满足旅行、会议、购物等日常需求。特别是，元宇宙代表了一个基于虚拟现实设备的多传感器、沉浸式、实时和互动的世界。传统的虚拟现实系统主要是基于硅传感器，它具有高分辨率和低噪音，可以实现高质量的成像。然而，大多数现有的传统虚拟现实设备是刚性的，且涉及繁琐的机械和庞大的系统。这些设备会引发穿着不适、有限的皮肤感知和低生物相容性等问题。在实验场景中，这些设备不能被受试者舒适地长期佩戴，不能有效地收集人体生理数据。因此，在虚拟现实系统中用具有高生物相容性、高灵敏度、高导电性和高伸展性特点的柔性纳米材料取代笨重的刚性硅材料是一个必然的趋势。总的来说，柔性纳米材料已经改变了我们制造和使用电子产品的方式，因此它们的发展已经引起了工业界和学术界的极大关注。NMFSs比传统柔性传感器具有更好的生物兼容性、可拉伸性等相关的问题，确保了用户的舒适性、与皮肤的贴合性、多功能性。柔性和轻量级的电子设备可以稳定地与人体皮肤紧密接触而没有任何不适感，即使是细微的动作也能被准确捕捉。

本文从机械、物理、化学和电气方面评估了柔性传感器的性能。 对现有的NMFSs在机械和电气参数方面进行了比较，如导电性、伸展性、稳定性、灵敏度、功耗和生物相容性。讨论了开发柔性传感器的纳米材料分类，以及其与虚拟现实系统的交互方式。

3.最新进展

最新进展主要分为三个部分：基于不同维度纳米材料的NMFSs的制备及应用，NMFSs与虚拟现实系统的交互触发机制，机器学习在NMFSs与虚拟现实交互中的作用。本文主要回顾了纳米材料的属性和虚拟现实设备及相关技术的功能。旨在对具有多模态特征的柔性纳米材料和集成系统进行全面回顾，将人工智能和NMFSs界面结合起来。

基于不同维度纳米材料的NMFSs的制备应用：首先根据纳米材料的维度对纳米材料的传感器进行了分类： 0D（如纳米粒子），1D（如纳米线和碳纳米管），2D（如石墨烯和多层纳米薄膜）和混合纳米材料（如纳米线和纳米粒子复合材料或纳米薄膜和纳米粒子复合材料）。纳米粒子在制备柔性传感器的主要方法和原理如图2所示。

图2  自组装和隧道效应主要被用于基于纳米粒子的电子皮肤。(a) 基于磺化木质素包覆的二氧化硅纳米颗粒、聚丙烯酰胺链和铁(Fe3+)的特性，构建了一种高弹性的导电水凝胶。经ACS许可转载。©2022年由美国化学会。(b) 制备掺有Fe3O4纳米颗粒的多功能离子凝胶，并通过TEM说明颗粒的分散情况。经授权转载自WILEY。©2019年由Wiley在线图书馆。(c) LBL组装的浸泡和旋转策略示意图。经AAAS许可转载。©2015年由美国科学促进会提供。 (d) 用LBL策略制备的AuNP应变传感器的示意图和形态结构。经授权转载自WILEY。©2021年由Wiley在线图书馆。(e) AuNP和聚二甲基硅氧烷（PDMS）组合的协同应变传感器。经ACS许可转载。©2018年由美国化学会。(f) 纳米大小的PANI-NPs混合水凝胶中的电子传导路径106。经授权转载自WILEY。©2022由Wiley在线图书馆。(g) 隧道粒子的电流路径119。经WILEY许可转载。©2022年由Wiley在线图书馆提供。(h) 由超声波激发的石墨烯纳米颗粒导电网络的隧道电流示意图。经许可转载。©2019年由ELSEVIER。(i) 可愈合的AgNS网络中的电子转移示意图。经许可转载。©2020由自然出版集团。(j) 基于CB/AgNPs的应变传感器在拉伸过程中的电阻变化。经MDPI许可转载。©2018年由多学科数字出版研究所。(k)在两个电极之间磁组装的抗体-Au@磁性纳米粒子薄膜的连接电阻的变化。经WILEY许可转载。©2012年由Wiley在线图书馆提供。

NMFSs与虚拟现实系统交互的触发方式： 虚拟现实技术已经成为人们进入元宇宙空间的主要技术。可用于双边互动的NMFSs触觉交互界面是人类利用元宇宙技术的未来范式之一。通过无线传输和远程触觉接收，基于触觉的NMFS技术可以超越传统的虚拟现实互动领域，实现虚拟的人与人的互动。皮肤机械力学触发交互的电子感应是目前开发虚拟现实设备的主要交互方式, 如图3所示。

图3  用于虚拟现实应用的皮肤力学触发界面的NMFSs。(a) 具有多模态感应和反馈能力的增强触觉感应环，用于元宇宙、生物神经网络和AIoT云应用。经许可转载。©2022年由自然出版集团出版。经授权转载自WILEY。©2020由Wiley在线图书馆提供。(c) 人类指尖和Liesegang图案的离子皮肤的纹理识别示意图。经WILEY许可转载。©2023年由Wiley在线图书馆。(d) 离子触控板的触觉交互界面和结构。经ACS许可转载。©2023年由美国化学会。(e) 使用三电智能手套在虚拟现实中的言语障碍者和非言语障碍者之间的交流。经许可转载。©2021年由自然出版集团出版。

机器学习在NMFSs与虚拟现实交互中的作用：越来越多的实验结果证明了机器学习是NMFSs构建元空间必不可少的工具。近年来，由于机器学习具有强大的数据分析能力，在虚拟现实领域引起了广泛关注。为了提高数据的有用性，并有效地将数据与元宇宙结合起来，机器学习被广泛用于分析多个数据集之间的关联和差异。恰当的机器学习算法和大数据分析工具的开发可以促进虚拟现实世界的实时互动。机器学习辅助的虚拟现实系统可以通过自然语言处理、情感识别等技术实现更自然、更智能的人机互动，提高用户对虚拟体验的感受，如图4所示。

图4  NMFSs结合机器学习在虚拟空间中的应用。(a) 基于机器学习的自供电传感器系统的原理及其在虚拟空间的应用。经许可转载。©2022年由爱思唯尔出版。(b) 用于同时监测多种信号的多模态GO-MS和机器学习模型的示意图。经WILEY许可转载。©2022年由Wiley在线图书馆。(c) 具有智能感知和增强触觉反馈的多模式摩擦电动软模块手套的真实空间和虚拟空间的互动示意图。经ACS许可转载。©2022年由美国化学会。(d) 边缘模块化的MXene传感器实现了虚拟化身的全身运动重建。经许可转载。©2022年由自然出版集团出版。(e) 深度学习驱动的摩擦电智能传感器袜在虚拟空间与物理空间互动应用中的演示。经许可转载。©2020年由自然出版集团出版。(f) s-SNE算法支持的三电纳米发电机传感器的结构、结果和自动抓取物体识别精度的可视化过程。经授权转载自WILEY。©2021年由Wiley在线图书馆提供。(g) 深度学习驱动的智能地垫与虚拟技术相结合，作为地面监控系统。经许可转载。©2020由自然出版集团出版。

图5总结了用于柔性传感器的不同维度的纳米材料和四种交互触发方式的优势和局限性。先进的纳米材料对发展感知技术是不可或缺的。具有高度可塑性和生物相容性的纳米材料的发展使人类感知技术从传统的依赖执行器转向仿生电子皮肤界面。新型纳米材料和柔性传感器的出现，有望为人类感知的获取提供创新的渠道和载体。在虚拟健康方面，NMFSs代表了便携式和舒适的健康监测和诊断工具，可以长期佩戴以监测人类的健康状况，并在人类与元宇宙的互动中评估人类的身体素质，以预防疾病。NMFSs有望为元空间的感知技术的突破作出贡献。

图5  纳米材料和交互界面在元宇宙/虚拟现实技术中的讨论。(a)零维纳米材料特征的总结。经授权转载自WILEY。©2022年由Wiley在线图书馆。(b)一维纳米材料特性的总结。经授权转载自ACS。©2021年由美国化学学会。(c)二维纳米材料特性的总结。经许可转载自RSC。©2019年由英国皇家化学学会。(d) 皮肤力学触发的界面。经许可转载。©2020 by the ELSEVIER. (e) 温度触发的界面。经许可转载。©2019年由自然出版集团出版。(f) 磁性触发的界面。经许可转载。©2022由ELSEVIER。(g) 神经触发的界面。经ACS许可转载。©2020由美国化学学会。

4. 未来展望

柔性纳米材料传感器是虚拟现实应用的重要组成部分，可以捕捉用户的运动、位置、姿势和手势等信息，以提供更多的沉浸式体验。在未来，虚拟现实传感的发展可以带来更高的精度和更低的延迟的变化和进步：结合更先进的技术，如机器学习和深度学习，以达到更高的精度和更低的延迟，这将改善用户体验和互动的自然度。更小的尺寸和重量：更小、更轻，便于用户佩戴，这将改善虚拟现实的可穿戴性，使用户更容易享受沉浸式体验。更多的传感器类型：集成更多类型的传感器，如脑电波、情绪、气味和呼吸传感器，以实现更复杂的生理健康监测和人机互动。更多的应用场景： 在医疗、工业和教育领域有更广泛的应用，以提高效率和降低风险。增强安全性和隐私：加强数据安全和隐私保护，防止用户数据被滥用或泄露。总而言之，未来虚拟现实传感的发展将使虚拟现实的体验更加真实、沉浸、自然，为用户提供真实的生活环境和工作氛围的体验。