當(dāng)代社會(huì)對(duì)能夠監(jiān)測(cè)和記錄人體生理參數(shù)的智能可穿戴設(shè)備的需求不斷上升，研究人員一直在研究新材料和新技術(shù)，以開(kāi)發(fā)既高靈敏度又可靠的傳感器。近年來(lái)，柔性壓電傳感器以其卓越的壓電性能和化學(xué)穩(wěn)定性而引人注目，這類(lèi)傳感器功耗低，生產(chǎn)成本低，有助于精確檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)和生理信號(hào)。
近期，北京石油化工學(xué)院師奇松副教授課題組，研究了MXene和聚多巴胺修飾的氧化鋅（PDA@ZnO）雙重填料對(duì)PAN基壓電復(fù)合納米纖維薄膜性能的影響，并且開(kāi)發(fā)出PAN/MXene/PDA@ZnO-5（PMPO）壓電傳感器，在寬線性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了28.56 V/N的靈敏度，在3000次加載-卸載循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和耐用性以及快速的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間（49 ms /40 ms），展示了其增強(qiáng)的壓電傳感能力。該壓電傳感器不僅能夠精確檢測(cè)和量化微小的壓力變化，使其成為監(jiān)測(cè)人體細(xì)微生理信號(hào)的理想選擇而且能夠在大的壓力范圍內(nèi)有效運(yùn)行，便于監(jiān)測(cè)人體的大幅度運(yùn)動(dòng)，并確保在各種應(yīng)用環(huán)境中的可靠性能。相關(guān)工作以“Flexible piezoelectric sensor based on PAN/MXene/PDA@ZnO composite film for human health and motion detection with fast response and highly sensitive”為題在《Chemical Engineering Journal》期刊發(fā)表。北京石油化工學(xué)院為唯一完成單位，論文的第一作者為新材料與化工學(xué)院碩士生黃妍，通訊作者為師奇松副教授。該工作為發(fā)展高靈敏度的人體可穿戴式柔性壓電傳感器提供了新的思路。
圖1 PMPO壓電傳感器的制造示意圖
圖2 PMPO壓電傳感器的傳感性能
PMPO壓電傳感器的輸出電壓和施加壓力呈線性相關(guān)，計(jì)算出的電壓靈敏度（Sv）為28.56 V/N（圖2a-2b）。在0.1 N，3 Hz下對(duì)壓電傳感器進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試，傳感器的輸出電壓在3000次加載-卸載循環(huán)中保持一致，證明了其可靠性和穩(wěn)定性（圖2c）。PMPO壓電傳感器在0.1 N下的響應(yīng)時(shí)間為49 ms，恢復(fù)時(shí)間為40 ms。（圖2d），表明其對(duì)壓力變化的快速響應(yīng)能力。在恒定力的不同頻率（2 Hz、1 Hz、0.5 Hz和0.33 Hz）下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：頻率越高，輸出電壓越高（圖2e）。將質(zhì)量為20 g的砝碼分別從2 cm、5 cm、8 cm和 10 cm高度自然掉落到傳感器重心的位置，由于傳感器表面的加速度、動(dòng)能和沖擊力增加，輸出電壓與下落高度相關(guān)，高度越高，電壓輸出越大（圖 2f）。通過(guò)調(diào)整放置在PMPO壓電傳感器中心的電極貼片的面積大小并施加均勻的壓力，觀察到較大的接觸面積導(dǎo)致更高的輸出電壓（圖2g）。
圖3 PMPO壓電傳感器監(jiān)測(cè)人體微小的生理運(yùn)動(dòng)
PMPO壓電傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快和耐用性好等特點(diǎn)，有望用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、微小目標(biāo)檢測(cè)等實(shí)際應(yīng)用。將壓電傳感器放置在人體的頸部可以識(shí)別人體呼吸的狀態(tài)，深呼吸時(shí)出現(xiàn)了輸出電壓信號(hào)，而屏氣時(shí)輸出信號(hào)基本為0（圖3a）。監(jiān)測(cè)腹部呼吸時(shí)也能出現(xiàn)穩(wěn)定的電信號(hào)（圖3b）。同時(shí)，還能很好的感知聲帶振動(dòng)發(fā)聲，當(dāng)大聲說(shuō)“Notebook”時(shí)，通過(guò)聲帶產(chǎn)生的振動(dòng)被傳感器采集信號(hào)來(lái)識(shí)別喉嚨的語(yǔ)言狀態(tài)，志愿者以正常的速度大聲讀出“NoteBook”這個(gè)單詞，在正常音調(diào)下有明顯的壓電輸出，最大輸出電壓為0.75 V(圖3c)。值得注意的是，該傳感器顯示了其人體檢測(cè)微小生理信號(hào)的變化能力，例如監(jiān)測(cè)人體的皺眉、微笑、臉頰鼓動(dòng)（圖3d-3f）等細(xì)微的生理活動(dòng)，能夠根據(jù)身體不同部位所經(jīng)歷的不同應(yīng)變顯示出獨(dú)特的信號(hào)變化，從而熟練地傳輸信號(hào)并識(shí)別細(xì)微的人類(lèi)動(dòng)作，在可穿戴醫(yī)療健康領(lǐng)域具有重要意義。
圖4 PMPO監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)
這種先進(jìn)的壓電傳感器能夠區(qū)分不同的彎曲角度和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，展示了其精確監(jiān)測(cè)人體姿勢(shì)的潛力。PMPO壓電傳感器會(huì)根據(jù)不同的施力方式產(chǎn)生不同的電壓信號(hào)，如彎折、扭轉(zhuǎn)等方式（圖4a）。如圖4b至4d所示，它可以準(zhǔn)確跟蹤各種頸部彎曲動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的波形和穩(wěn)定的輸出，例如頭部向上、向下傾斜或左右搖晃，值得注意的是，在頭部向上和向下傾斜期間記錄了相反的電壓信號(hào)，相似的傾斜角度產(chǎn)生約0.8 V的輸出電壓。如圖4e所示，將手腕向上或向下彎曲90°分別會(huì)產(chǎn)生正電壓和負(fù)電壓信號(hào)，當(dāng)貼合在足背上時(shí)，傳感器在彎曲時(shí)捕獲特定的電壓信號(hào)（圖4f），該傳感器能夠固定在不同的身體部位，通過(guò)分析輸出電壓波形來(lái)有效識(shí)別身體運(yùn)動(dòng)，例如，當(dāng)位于膝蓋上時(shí)，它會(huì)監(jiān)測(cè)下蹲動(dòng)作（圖4g）；在肩部附近，它能夠檢測(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（圖4h）；在肘部時(shí)，它能夠識(shí)別人體做俯臥撐時(shí)的彎曲角度和受力情況，有助于糾正不正確的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)（圖4i）；在腹部時(shí)，它可以監(jiān)測(cè)仰臥起坐姿勢(shì)（圖4j）。該傳感器通過(guò)提供對(duì)各種身體活動(dòng)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，為可穿戴醫(yī)療保健和健身應(yīng)用做出了重大貢獻(xiàn)。如圖（4k至4l）所示，在分析各種人體關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，上肢，尤其是肘部，表現(xiàn)出增強(qiáng)的靈活性。與膝蓋相比，肘部彎曲運(yùn)動(dòng)的靈敏度更高，坡度更陡，與膝關(guān)節(jié)彎曲相比，肘部彎曲產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào)頻率更高，響應(yīng)恢復(fù)更快，峰值更尖銳，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)頻率和彎曲角度較低，表現(xiàn)出比肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)更低的敏感性，盡管如此，膝關(guān)節(jié)似乎承受了更大的壓力，這反映在相對(duì)于肘部彎曲的更高峰值電壓輸出上，這些關(guān)節(jié)之間的明顯結(jié)構(gòu)差異解釋了每個(gè)動(dòng)作所表現(xiàn)出的獨(dú)特模式，這可能有助于識(shí)別特定的人類(lèi)活動(dòng)，PMPO壓電傳感器能夠區(qū)分人體關(guān)節(jié)的不同彎曲角度和頻率，顯示了其在監(jiān)測(cè)人體姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)方面的巨大應(yīng)用潛力。
圖5 PMPO傳感器進(jìn)行步態(tài)識(shí)別
PMPO壓電傳感器具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壓力的能力，如足底壓力。將傳感器附著于腳掌和腳跟處可以人體監(jiān)測(cè)走路時(shí)足底的受力情況，對(duì)于人體正確的走路姿勢(shì)來(lái)說(shuō)，腳跟是最先著地的地方，也是承受壓力最多的部分。腳跟落地緩沖之后，便會(huì)沿腳掌迅速繼續(xù)向前滾動(dòng)，所以腳掌也會(huì)承受一定的壓力，但承受的沖擊力比足跟小，志愿者按照正確的姿勢(shì)走，腳掌承受的力轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的峰值為10 V，腳跟處則為30 V，走路的頻率為1 Hz（圖5a-5b）。傳感器的輸出響應(yīng)在行走階段表現(xiàn)出相當(dāng)穩(wěn)定和均勻的波形，對(duì)于人體姿勢(shì)檢測(cè)，PMPO壓電傳感器被固定在腳底，可以用來(lái)識(shí)別不同的步態(tài)，如行走、跑步和跳躍。在不同的運(yùn)動(dòng)模式下（圖5b-5f），運(yùn)動(dòng)頻率和鞋底與傳感器的接觸以及受到的沖擊力都會(huì)影響電壓輸出信號(hào)，步行、跑步和跳躍其對(duì)應(yīng)的電壓輸出峰值分別為10 V，60 V，40 V，頻率分別為1 Hz，3 Hz，2.4 Hz，不同的跳躍模式也會(huì)呈現(xiàn)出不同的電壓信號(hào)。傳感器產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)表現(xiàn)出與步頻、接觸面的受力情況相符的明顯變化，證明了該應(yīng)變傳感器適合連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)與人體運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的信號(hào)。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724024847
