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 跺跺腳、拍拍手，既能發(fā)電，又可體檢。近日，一種柔性透氣壓電復(fù)合織物的問(wèn)世，有望讓可穿戴設(shè)備的功能變得更強(qiáng)大。

目前，可穿戴設(shè)備的原材料壓電陶瓷和壓電聚合物存在脆性大、壓電性弱等缺點(diǎn)。為此，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系教授楊征保團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種柔性、透氣并具有高輸出的壓電陶瓷復(fù)合材料，其內(nèi)部獨(dú)特的多級(jí)結(jié)構(gòu)能夠有效強(qiáng)化機(jī)械性能。在此基礎(chǔ)上，他們還研制出將機(jī)械能俘獲（發(fā)電）和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)完美結(jié)合的復(fù)合織物。

相關(guān)研究已在《科學(xué)進(jìn)展》和《先進(jìn)功能材料》上發(fā)表。

想發(fā)電 跺跺腳

用戶對(duì)舒適度和電池續(xù)航能力的需求促進(jìn)了柔性換能器方面的研究。傳統(tǒng)的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛（PZT），具有很高的壓電輸出，但其高剛度和脆性極大的特性卻限制了其在生物能量收集中的應(yīng)用。另一方面，聚偏氟乙烯（PVDF）等壓電聚合物雖然彈性模量較低，但壓電性較弱。

基于模板輔助的溶膠—凝膠法，楊征保團(tuán)隊(duì)在形成微米級(jí)陶瓷復(fù)合纖維的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步交織成亞毫米級(jí)的陶瓷纖維束，最終構(gòu)建出一個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷復(fù)合織物。

理論分析表明，這種多級(jí)結(jié)構(gòu)有利于提高機(jī)械應(yīng)變和應(yīng)力梯度，從而進(jìn)一步提高壓電復(fù)合材料的電壓輸出。這種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷織物還能夠產(chǎn)生128 V的開(kāi)路電壓、120μA的短路電流，遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的結(jié)果。

“產(chǎn)生上述電壓、電流及瞬時(shí)功率密度不需要什么特別的條件。正常人用手去拍擊就能實(shí)現(xiàn)這樣的輸出。”楊征保告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“產(chǎn)生電能的多少主要和材料尺寸、壓電系數(shù)、激勵(lì)強(qiáng)度相關(guān)。”

這種壓電復(fù)合織物的主體由PZT陶瓷骨架和P（VDF-TrFE）涂層組成，兩側(cè)再貼附銅網(wǎng)作為電極。與采用的織物模板類似，相互纏繞的亞毫米級(jí)多股陶瓷纖維構(gòu)成了PZT陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級(jí)PZT纖維則是二級(jí)結(jié)構(gòu)。

“包覆PZT陶瓷骨架的P（VDF-TrFE）薄膜不僅為壓電復(fù)合織物提供了更好的機(jī)械性能，由于其本身是壓電材料，因此還進(jìn)一步提高了壓電性能。”論文第一作者、香港城市大學(xué)在讀博士生洪穎告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“這種壓電復(fù)合織物內(nèi)部獨(dú)特的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，也讓其具有良好的透氣性。在機(jī)械性能方面，相比于傳統(tǒng)的壓電復(fù)合材料，這種壓電復(fù)合織物具有更高的楊氏模量、斷裂強(qiáng)度、拉伸率、韌度及斷裂能。在壓電性能方面，這種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷織物也遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的工作。”

為了評(píng)估這種壓電復(fù)合織物在能量收集中的潛在應(yīng)用，研究人員將其制成鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

試驗(yàn)過(guò)程中，研究人員構(gòu)建了一種基于該壓電復(fù)合織物的計(jì)步器，用于計(jì)算走路時(shí)的步數(shù)。在2分鐘內(nèi)，該計(jì)步器成功記錄了63步，同時(shí)將其顯示在手機(jī)屏幕上。在人運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量收集（機(jī)械能捕獲）方面，研究人員在36秒的踩踏過(guò)程中，電容器中存儲(chǔ)的電壓增加到3.1V。而存儲(chǔ)在電容器中的能量可進(jìn)一步用于為電子表供電，使其連續(xù)工作16秒。

“正常走路的情況下，單片材料最大瞬時(shí)功率約在毫瓦級(jí)別。當(dāng)然由于每片材料都很薄，可以多片疊加讓功率翻倍，這要看具體的需求是什么。”楊征保說(shuō)，“該試驗(yàn)證明了我們開(kāi)發(fā)的壓電復(fù)合織物能夠用作可穿戴或便攜式電子設(shè)備的電源，展示了其在生物能量收集和自供電設(shè)備中的潛在應(yīng)用。”

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和疾病預(yù)警

除了發(fā)電，這種壓電復(fù)合織物還能夠收集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。

目前，很多研究已經(jīng)提出用可穿戴傳感器來(lái)獲取人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，但這些傳感器大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料剛度較大，難以全方位記錄相關(guān)信息。

楊征保團(tuán)隊(duì)則提出一種基于剪紙結(jié)構(gòu)的高度各向異性壓電陶瓷復(fù)合材料，通過(guò)形成具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷復(fù)合織物來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電復(fù)合材料的均衡性能。壓電陶瓷骨架與聚合物填料的結(jié)合以及三維互聯(lián)多級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有利于力的傳遞和緩解應(yīng)力集中，大大提高了該復(fù)合材料的機(jī)械和壓電性能。

“其核心原理是1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)的壓電現(xiàn)象。”楊征保解釋說(shuō)，“這種特殊的智能陶瓷能夠?qū)⑼獠渴┘拥臋C(jī)械力（力、應(yīng)力、血壓等）信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、無(wú)線傳輸和分析，即可用來(lái)監(jiān)測(cè)心率、血壓、脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等。”

這種柔性壓電復(fù)合材料的核心傳感元件是具有蜂窩狀剪紙結(jié)構(gòu)的PZT陶瓷網(wǎng)絡(luò)，而 PDMS高彈體的填充使其具有很好的柔性，能夠更好地貼附在人體關(guān)節(jié)表面。與現(xiàn)有的很多使用剪紙作為被動(dòng)元件的技術(shù)不同，這里是使用剪紙本身作為主動(dòng)傳感的功能單元。當(dāng)剪紙模板被拉伸后，便具有更好的取向性，從而導(dǎo)致其壓電各向異性的產(chǎn)生。

在模擬和試驗(yàn)中，研究人員都得出了同樣的結(jié)論，這種具有特殊剪紙結(jié)構(gòu)的柔性壓電復(fù)合材料具有高達(dá)17.3的壓電各向異性。也就是說(shuō)，這種復(fù)合材料沿著兩個(gè)垂直方向彎曲時(shí)，其壓電輸出相差17.3倍。

將具有兩層壓電復(fù)合材料的傳感器貼到人的手掌上，便可通過(guò)分析上下兩層傳感器的壓電輸出，得到手掌的彎曲幅度和彎曲方向。另一方面，當(dāng)這種傳感器被貼到頸椎和肩關(guān)節(jié)上時(shí)，上下兩層傳感器傳出的不同信號(hào)也能被用來(lái)分析頸椎和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式，比如判斷頸椎是左右扭動(dòng)還是前后擺動(dòng)。

在此基礎(chǔ)上，研究人員建立了一套關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和警報(bào)系統(tǒng)，在半個(gè)小時(shí)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，這套系統(tǒng)不但能判斷人體頸椎和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，還能根據(jù)不同情況對(duì)相應(yīng)部位缺乏運(yùn)動(dòng)發(fā)出警告，從而避免長(zhǎng)時(shí)間久坐帶來(lái)的各種關(guān)節(jié)疾病。

“我們的核心創(chuàng)新點(diǎn)不在設(shè)備，而在材料。”楊征保說(shuō)，“除具有上述優(yōu)良特性外，該材料制備工藝簡(jiǎn)單，可以大規(guī)模生產(chǎn)。”

楊征保表示，“柔性壓電薄膜及其復(fù)合材料的用途很廣泛，不但可用于機(jī)械能俘獲和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，還可用于飛機(jī)、大樓和橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，用于從環(huán)境中獲取能量為物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電，同時(shí)也是半導(dǎo)體芯片和MEMS領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)材料。”