柔性压电传感器对于监测人和类人机器人的运动都是必不可少的。然而，现有的设计要么成本高昂，要么灵敏度有限。在最近的一项研究中，来自日本的研究人员通过开发一种由静电纺聚偏氟乙烯纳米纤维与多巴胺结合制成的新型压电复合材料来解决这些问题。由这种材料制成的传感器在低成本下表现出显著的性能和稳定性改进，有望在医学、医疗保健和机器人技术方面取得进展。

世界正在加速走向智能时代，这是一个以利用人工智能和机器人等技术提高自动化和互联性为标志的历史阶段。作为这种转变中有时被忽视的基本要求，传感器代表了人、机器和环境之间的基本接口。

然而，现在机器人变得越来越灵活，可穿戴电子设备也不再局限于科幻小说，传统的硅基传感器将无法在许多应用中发挥作用。因此，提供更好的舒适性和更高的通用性的柔性传感器已成为一个非常活跃的研究领域。压电传感器在这方面尤为重要，因为它们可以将机械应力和拉伸转换为电信号。尽管有许多有前途的方法，但仍然缺乏以低成本大规模生产柔性高性能压电传感器的环境可持续方法。

在这种背景下，来自日本信州大学的一个研究小组决定迎接挑战，并使用一种成熟的制造技术:静电纺丝来改进柔性压电传感器的设计。他们的最新研究由杰出教授Kim Ick Soo与熊俊鹏、王ling、Mayakrishnan Gopiraman和Shi Jian联合领导，于2024年5月2日发表在《自然通讯》杂志上。

所提出的柔性传感器设计涉及到复合二维纳米纤维膜的逐步静电纺丝。首先，将直径约为200纳米的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维纺成一个坚固均匀的网络，作为压电传感器的基础。然后，将直径小于35纳米的超细PVDF纳米纤维纺丝到原有的基底上。这些光纤在基本网络的间隙之间自动交织，形成一个特定的二维拓扑结构。

经过实验、模拟和理论分析，研究人员发现合成的PVDF网络增强了β晶体取向。通过增强PVDF材料中产生压电效应的极性相，传感器的压电性能得到了显著提高。为了进一步提高材料的稳定性，研究人员在静电纺丝过程中引入了多巴胺(DA)，从而形成了一种保护性的核壳结构。

“使用PVDF/DA复合膜制作的传感器表现出优异的性能，包括1.5-40 N的宽响应范围，对0-4 N范围内的弱力的7.29 V/N的高灵敏度，以及出色的操作耐久性，”Kim说。这些卓越的品质在实际中被证明是使用可穿戴传感器来测量各种各样的人类运动和行动。更具体地说，这种被提议的传感器，当被人佩戴时，可以对自然运动和生理信号产生容易区分的电压响应。这包括手指敲击，膝盖和肘部弯曲，脚踩，甚至说话和手腕搏动。

考虑到这些压电传感器的潜在低成本批量生产，加上它们使用环保有机材料而不是有害的无机物，这项研究可能不仅对健康监测和诊断，而且对机器人技术具有重要的技术意义。“尽管目前面临挑战，但人形机器人在不久的将来将扮演越来越重要的角色。例如，著名的特斯拉机器人‘擎天柱’已经可以模仿人类的动作，像人类一样走路。”金博士沉思道，“考虑到目前用于监控机器人运动的高科技传感器，我们提出的基于纳米纤维的高级压电传感器不仅在监控人类运动方面具有很大的潜力，而且在类人机器人领域也有很大的潜力。”

为了使这些传感器更容易被采用，研究小组将重点放在改善材料的电输出特性上，这样就可以在不需要外部电源的情况下驱动柔性电子元件。希望这一领域的进一步发展将加速我们迈向智能时代的步伐，带来更舒适和可持续的生活。

作者：信州大学

链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240612113343.htm

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