當代社會對能夠監測和記錄人體生理參數的智能可穿戴設備的需求不斷上升，研究人員一直在研究新材料和新技術，以開發既高靈敏度又可靠的傳感器。近年來，柔性壓電傳感器以其卓越的壓電性能和化學穩定性而引人注目，這類傳感器功耗低，生產成本低，有助于精確檢測人體運動和生理信號。
近期，北京石油化工學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PAN基壓電復合納米纖維薄膜性能的影響，并且開發出PAN/MXene/PDA@ZnO-5（PMPO）壓電傳感器，在寬線性范圍內實現了28.56 V/N的靈敏度，在3000次加載-卸載循環中表現出優異的機械穩定性和耐用性以及快速的響應和恢復時間（49 ms /40 ms），展示了其增強的壓電傳感能力。該壓電傳感器不僅能夠精確檢測和量化微小的壓力變化，使其成為監測人體細微生理信號的理想選擇而且能夠在大的壓力范圍內有效運行，便于監測人體的大幅度運動，并確保在各種應用環境中的可靠性能。相關工作以“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》期刊發表。北京石油化工學院為唯一完成單位，論文的第一作者為新材料與化工學院碩士生黃妍，通訊作者為師奇松副教授。該工作為發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，計算出的電壓靈敏度（Sv）為28.56 V/N（圖2a-2b）。在0.1 N，3 Hz下對壓電傳感器進行了穩定性測試，傳感器的輸出電壓在3000次加載-卸載循環中保持一致，證明了其可靠性和穩定性（圖2c）。PMPO壓電傳感器在0.1 N下的響應時間為49 ms，恢復時間為40 ms。（圖2d），表明其對壓力變化的快速響應能力。在恒定力的不同頻率（2 Hz、1 Hz、0.5 Hz和0.33 Hz）下進行測試，結果表明：頻率越高，輸出電壓越高（圖2e）。將質量為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、動能和沖擊力增加，輸出電壓與下落高度相關，高度越高，電壓輸出越大（圖 2f）。通過調整放置在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致更高的輸出電壓（圖2g）。
圖3 PMPO壓電傳感器監測人體微小的生理運動
PMPO壓電傳感器具有靈敏度高、響應速度快和耐用性好等特點，有望用于實時監測、微小目標檢測等實際應用。將壓電傳感器放置在人體的頸部可以識別人體呼吸的狀態，深呼吸時出現了輸出電壓信號，而屏氣時輸出信號基本為0（圖3a）。監測腹部呼吸時也能出現穩定的電信號（圖3b）。同時，還能很好的感知聲帶振動發聲，當大聲說“Notebook”時，通過聲帶產生的振動被傳感器采集信號來識別喉嚨的語言狀態，志愿者以正常的速度大聲讀出“NoteBook”這個單詞，在正常音調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微小生理信號的變化能力，例如監測人體的皺眉、微笑、臉頰鼓動（圖3d-3f）等細微的生理活動，能夠根據身體不同部位所經歷的不同應變顯示出獨特的信號變化，從而熟練地傳輸信號并識別細微的人類動作，在可穿戴醫療健康領域具有重要意義。
圖4 PMPO監測人體運動
這種先進的壓電傳感器能夠區分不同的彎曲角度和關節運動，展示了其精確監測人體姿勢的潛力。PMPO壓電傳感器會根據不同的施力方式產生不同的電壓信號，如彎折、扭轉等方式（圖4a）。如圖4b至4d所示，它可以準確跟蹤各種頸部彎曲動作，每個動作都會產生獨特的波形和穩定的輸出，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，相似的傾斜角度產生約0.8 V的輸出電壓。如圖4e所示，將手腕向上或向下彎曲90°分別會產生正電壓和負電壓信號，當貼合在足背上時，傳感器在彎曲時捕獲特定的電壓信號（圖4f），該傳感器能夠固定在不同的身體部位，通過分析輸出電壓波形來有效識別身體運動，例如，當位于膝蓋上時，它會監測下蹲動作（圖4g）；在肩部附近，它能夠檢測旋轉運動（圖4h）；在肘部時，它能夠識別人體做俯臥撐時的彎曲角度和受力情況，有助于糾正不正確的運動姿勢（圖4i）；在腹部時，它可以監測仰臥起坐姿勢（圖4j）。該傳感器通過提供對各種身體活動的準確監測，為可穿戴醫療保健和健身應用做出了重大貢獻。如圖（4k至4l）所示，在分析各種人體關節的彎曲運動時，上肢，尤其是肘部，表現出增強的靈活性。與膝蓋相比，肘部彎曲運動的靈敏度更高，坡度更陡，與膝關節彎曲相比，肘部彎曲產生的輸出電壓信號頻率更高，響應恢復更快，峰值更尖銳，膝關節的運動頻率和彎曲角度較低，表現出比肘關節運動更低的敏感性，盡管如此，膝關節似乎承受了更大的壓力，這反映在相對于肘部彎曲的更高峰值電壓輸出上，這些關節之間的明顯結構差異解釋了每個動作所表現出的獨特模式，這可能有助于識別特定的人類活動，PMPO壓電傳感器能夠區分人體關節的不同彎曲角度和頻率，顯示了其在監測人體姿勢和運動方面的巨大應用潛力。
圖5 PMPO傳感器進行步態識別
PMPO壓電傳感器具有強大的實時監測大壓力的能力，如足底壓力。將傳感器附著于腳掌和腳跟處可以人體監測走路時足底的受力情況，對于人體正確的走路姿勢來說，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，便會沿腳掌迅速繼續向前滾動，所以腳掌也會承受一定的壓力，但承受的沖擊力比足跟小，志愿者按照正確的姿勢走，腳掌承受的力轉化為電壓信號的峰值為10 V，腳跟處則為30 V，走路的頻率為1 Hz（圖5a-5b）。傳感器的輸出響應在行走階段表現出相當穩定和均勻的波形，對于人體姿勢檢測，PMPO壓電傳感器被固定在腳底，可以用來識別不同的步態，如行走、跑步和跳躍。在不同的運動模式下（圖5b-5f），運動頻率和鞋底與傳感器的接觸以及受到的沖擊力都會影響電壓輸出信號，步行、跑步和跳躍其對應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呈現出不同的電壓信號。傳感器產生的檢測信號表現出與步頻、接觸面的受力情況相符的明顯變化，證明了該應變傳感器適合連續、實時地監測與人體運動密切相關的信號。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724024847
