《Mechanoluminescence Rebrightening the Prospects of Stress Sensing: A Review》 学术报告

本文是一篇发表在 Advanced Materials 期刊（发表日期：2021年，卷号：Adv. Mater. 2021, 2005925）的综述性论文。作者为厦门大学材料学院暨福建省材料基因组重点实验室的Yixi Zhuang（庄逸熙）与Rong-Jun Xie（谢荣军）教授。论文的主题是系统性地回顾、分析并展望了力致发光（Mechanoluminescence, ML）作为一种新兴的应力传感技术，在当前人工智能、物联网、生物技术等新兴应用驱动下，如何“重新点亮”（rebrighten）先进应力传感的前景。

论文核心观点与阐述

1. 新兴应用对先进应力传感提出了新的性能需求，为ML技术创造了机遇。 论文开篇即指出，以人工智能、5G通信、物联网和生物技术为代表的新技术革命对压力传感器提出了多元化、专业化的新要求。传统基于电容、压阻等电信号转换原理的传感器在这些新兴领域面临挑战。论文系统性地梳理了先进应力传感所需的关键性能特征，并将其分为两大类： * 基本性能特征：包括线性度（Linearity）、灵敏度（Sensitivity）、可重复性（Repeatability）和响应时间（Response Time）。这些是任何传感器可靠工作的基础。 * 面向新兴应用的附加性能特征：这些是ML技术可能发挥独特优势的领域，具体包括： * 可拉伸性（Stretchability）：用于电子皮肤、可穿戴设备，需承受大幅形变。 * 远程性（Remoteness）：实现非接触、非侵入式监测，适用于移动健康监控和生物力学。 * 空间分布感知（Spatial Distribution）：能够以高空间分辨率（如亚毫米级）成像应力分布，对于结构健康监测、电子皮肤至关重要。 * 多模态感知（Multimodal Nature）：单一传感器能同时响应应力、温度、湿度等多种刺激。 * 其他：如自修复能力（Self-healing）、生物相容性（Biocompatibility）和自供能（Self-powering）。论文特别指出，自供能是穿戴式和物联网设备的理想特性。

2. ML应力传感具有独特的“应力-光子”转换原理，赋予其解决上述挑战的固有优势。 论文的核心论点是：ML（固体材料受应力时发光）为应力传感提供了一条从机械能到光子的独特转换路径。结合光子探测技术（光子到电子），构成了完整的ML传感路线。这一原理带来了几项颠覆性优势： * 远程与分布式传感：光子可在空间中传输，使得探测器可以远离被测物体，实现非接触式远程测量。同时，每个发光粒子本身就是一个传感单元，天然适用于大面积、高空间分辨率的应力分布成像，避免了复杂电极阵列的制备。 * 优异的可拉伸性、生物相容性与自供能潜力：由于传感单元（ML材料复合薄膜）本身不需要内部电路和导电通路，它们可以高度柔性甚至可拉伸地集成在各种弹性基底上。同样，其生物相容性主要取决于所选的封装聚合物基质。ML过程直接转换机械能为光能，因此传感行为本身是自供能的，无需外部电源驱动传感单元。

3. ML材料、复合材料与传感器构型是技术实现的基础，近年来取得重要进展。 论文详细综述了ML技术的各个组成部分及其发展现状： * ML材料分类与机理：根据机械作用模式，ML可分为四类：断裂发光（Fractoluminescence，材料断裂时发生）、摩擦发光（Triboluminescence，摩擦接触引发）、弹性发光（Elasticoluminescence，弹性形变下发生，具有线性响应特性）和塑性发光（Plasticoluminescence）。论文重点讨论了应用前景广阔的弹性发光和可重复的摩擦发光材料。同时指出，ML的微观机制（如压电效应、陷阱电荷释放等）与材料晶体结构（非中心对称性尤为重要）、缺陷态密切相关，但许多细节仍有待深入研究。 * ML复合材料薄膜：实际应用中，ML颗粒通常被嵌入聚合物基质（如PDMS、环氧树脂、Ecoflex等）中形成柔性/可拉伸薄膜。这种复合材料不仅保护脆性ML颗粒，还提供了良好的可加工性和机械应力传递能力。论文分析了复合材料内部复杂的应力传递过程（如压缩、拉伸导致的界面摩擦），指出这是理解与优化ML响应的关键。 * 传感器构型与数据采集：ML传感器主要构型分为远程型（探测器与ML薄膜分离）和近场型（ML薄膜直接贴合在探测器上）。探测器可以是光电倍增管、光电二极管等单点器件，也可以是CCD/CMOS图像传感器用于应力分布成像。采集的数据类型包括ML强度随时间变化、ML光谱以及二维ML图像。

4. ML应力传感展现出线性、可重复、远程成像与高集成度等优异技术特征，并通过材料与结构优化不断提升性能。 论文通过大量文献例证，总结了ML传感已展现出的技术特点： * 线性与可重复性：许多弹性发光材料（如SrAl2O4:Eu2+）的ML强度与施加应力呈良好线性关系。可重复性分为“条件可重复”（需紫外光照射补充陷阱电荷）和“自可重复”（如ZnS:Cu/Mn2+、(Ca,Sr)ZnOS:Ln3+等材料可在循环应力下保持稳定发光）。这些特性是定量、可靠传感的基础。 * 远程应力分布成像：这是ML最突出的优势之一。通过将ML薄膜涂覆于物体表面，并使用远程相机记录发光，即可实时可视化动态应力分布，空间分辨率可达100微米量级，远高于传统阵列式电传感器。 * 易于集成：ML的光学信号可以与传统的电学传感信号（如压阻、摩擦电）结合，构建动态范围更宽的双模式传感器。ML信号也可用于多模态传感（如同时感知应力与温度）。 * 性能优化策略：论文系统回顾了提升ML性能的两条主要途径：一是通过材料微观结构改性，例如共掺杂增加陷阱密度（如SrAl2O4:Eu2+, Ho3+）、构建异质结促进电荷分离与复合（如ZnS/CaZnOS）、利用层状结构增强电荷转移等；二是通过复合材料结构优化，例如在聚合物基质中添加刚性纳米颗粒（如SiO2）以集中应力、设计微金字塔或圆柱阵列结构来提升局部应力和传感分辨率/对比度。

5. ML技术在电子皮肤/可穿戴设备、生物医学工程等前沿领域展现出广阔的应用前景，同时也面临材料、器件与系统集成方面的挑战。 论文后半部分着重展望了ML的应用潜力： * 电子皮肤与可穿戴设备：ML薄膜可作为“发光皮肤”，远程监测面部表情、手势、步态等。其可拉伸、自供能特性适合集成到织物中，制成智能服装，可视化人体运动并提供无源照明。双模式传感器（ML+电容/压阻）可以覆盖从轻微触碰到大幅压力的宽范围应力检测。 * 生物力学与生物医学工程：近红外（NIR）ML材料的发展使得光子能够穿透生物组织，为体内深部组织的应力监测（如骨骼受力、肿瘤硬度）提供了非侵入性新方法。ML还可用于监测呼吸、心跳等生理活动。 * 结构健康监测：将ML涂层应用于桥梁、飞机等大型结构，可以实现大面积、可视化的结构疲劳、损伤或冲击定位监测。

论文的价值与意义

本综述论文的意义重大，主要体现在以下几个方面： 1. 系统性梳理与前瞻性视角：它不仅回顾了ML材料和机理的研究历史，更独具慧眼地从先进应用的需求倒推技术性能要求，清晰地定位了ML传感相比于传统技术的核心竞争力所在（远程、分布式、易集成等），为领域研究指明了方向。 2. 技术评估与路径规划：论文超越了单纯的材料现象介绍，深入评估了ML传感的技术成熟度（线性、重复性等关键指标）、器件构型和系统集成方案，并绘制了从材料到器件再到应用的发展路径图，具有强烈的工程指导价值。 3. 指出挑战与未来方向：论文在展示广阔前景的同时，也坦率指出了当前面临的三大挑战：材料优化（需要更多高性能、自可重复、近红外发光的材料）、器件设计（如何精确控制复合材料内的应力传递、提高信噪比）和系统集成（如何将ML传感与其他功能模块高效整合）。这为后续研究者提供了明确的问题清单。 4. 多学科交叉的桥梁：论文内容涵盖了材料科学、光学、力学、电子工程和生物医学，有效地将不同领域的研究成果汇聚到一个统一的“先进应力传感”主题下，促进了跨学科的交流与协作。

这篇由庄逸熙和谢荣军教授撰写的综述，是一份关于力致发光应力传感技术的“全景式”深度报告。它成功论证了ML技术如何凭借其独特的光学传感原理，为解决下一代智能感知系统面临的挑战提供了富有前景的解决方案，并系统性地总结了实现这一目标所需的技术积累、当前进展和未来攻关方向，对该领域的学术研究与技术开发具有重要的引领和参考价值。