近日，上海交通大學材料科學與工程學院金屬基復合材料全國重點實驗室郭益平課題組在面向多向力感知的柔性壓電傳感器研究中取得重要進展，研究成果以“Multiscale Interconnected and Anisotropic Morphology Genetic Piezoceramic Skeleton Based Flexible Self-Powered 3D Force Sensor”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

柔性傳感器具有傳統(tǒng)剛性傳感器難以提供的穿戴舒適性和適形性，可以完美貼合人體皮膚或復雜曲面。其中，基于壓電效應的柔性力傳感器可以實現(xiàn)對外界機械刺激的主動感知，而無需外部供能，在可穿戴電子、機器人和人機交互等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。近年來，為使傳感層兼具壓電陶瓷的高壓電活性和聚合物的柔韌性，研究人員已開發(fā)出多種類型的柔性壓電復合材料。然而，0-3型壓電復合材料仍面臨極化效率和應力傳遞效率低的挑戰(zhàn)，而具有更高壓電相連通性的2-3、3-3型復合材料在傳感性能提升的同時犧牲了部分柔韌性，且大多具有各向同性的特性，限制了其監(jiān)測多方向大彎曲變形的能力。

針對現(xiàn)有壓電聚合物及壓電復合材料在柔性-靈敏度-穩(wěn)定性協(xié)同優(yōu)化以及多向力感知方面的技術瓶頸，本研究以天然絲瓜內壁纖維為模板，利用簡單的溶膠-凝膠法制備了具有多尺度互連結構的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷骨架，并進一步開發(fā)出了一體化的各向異性壓電傳感器（IAPSC sensor），其在面外壓縮和彎曲模式下均表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感能力。研究表明微觀三維互連的貫通孔道結構可顯著提高應力傳遞效率，器件在面外壓縮模式下兼具低檢測限（0.2 kPa）、寬傳感范圍（0.2-325.6 kPa）和高靈敏度（241.12 mV/kPa）。而宏觀各向異性的網狀結構則賦予了器件高壓電各向異性和優(yōu)異的可拉伸性（45%拉伸應變），實現(xiàn)了對彎曲變形大小和方向的同步識別。同時對稱式一體化的設計使柔性器件在30萬次壓縮和彎曲循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定。該傳感器被成功應用于人體心血管健康評估和物體彈性模量的定量識別，在健康監(jiān)測和機器人智能感知領域展現(xiàn)出巨大應用潛力。該研究豐富了遺態(tài)材料的多樣性，為功能陶瓷的結構設計提供了一種新的方法。

圖1.傳感器的設計、結構和應用場景

利用該傳感器對不同個體橈動脈脈搏波進行長時間監(jiān)測，采集壓電脈搏波。由于傳感器具有出色的靈敏度和工作穩(wěn)定性，可以采集到人體標準的脈搏波信號（三段波）。采用特征參數(shù)法對脈搏波特征進行提取和分析，并結合定標后的血壓波對不同個體的心血管參數(shù)進行計算和分析，最后對四名個體的心血管健康狀況進行評估。例如，個體3的心輸出量（CO）和搏動量（SV）偏高，血管彈性（AC）偏低，但血流阻力（TPR）正常，表明其心臟泵血功能異常且存在輕度動脈硬化，基于壓電脈搏波的評估結果與個體實際病癥吻合度高，表明該傳感器在心血管疾病早期篩查和預防方面有巨大應用潛力。

圖2.傳感器用于人體心血管健康狀況的綜合評估

基于傳感器的壓電響應機制，開發(fā)了一種物體彈性模量的定量識別策略。通過測試具有不同彈性模量物體的動態(tài)電壓響應信號，可以計算出彈性模量。傳感器的高靈敏度使其可以分辨物體微小的模量差異。且計算結果與實驗結果一致性良好。

圖3.傳感器用于物體彈性模量的定量識別

論文第一作者為上海交通大學材料科學與工程學院203級直博生姜晨暉，上海交通大學材料科學與工程學院郭益平教授和長征醫(yī)院寶軼副教授為論文的共同通訊作者。該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃（No.2022YFA1205300 and No.2022YFA1205304）和上海交通大學“深藍計劃”重點項目（SL2022ZD103）的資助。