冒爱琴, 陆文宇, 贾洋刚, 王冉冉, 孙静

无机材料学报 2023, 38 (7): 717-730. DOI:10.15541/jim20220549

摘要（1717）

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可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

在人工智能(AI)和物联网(IoT)繁荣发展的当代, 人机交互变得越来越重要。Lü等[94]利用Sm:PMN-PT薄膜制造的器件表现出出色的能量收集性能(输出电压为6 V, 电流密度为150 μA/cm2)和较高的压力灵敏度(5.86 V/N)，可以作为触觉传感器记录手指解锁智能手机的过程。如图7(a)所示, 一个由六个独立的传感器单元组成的压电传感器阵列, 由于阵列各基本单元相互独立, 互不干扰, 通过多路信号采集器读取输出电压信号即可分别识别不同按键输入的数字。Su等[60]将制备的压电薄膜器件覆盖在键盘按键上, 不同人按键的间隔及力的大小都有所不同, 导致压电薄膜器件输出特征不同, 从而智能识别用户。因此, 此触觉传感器在平板电脑、智能手机、笔记本电脑等带有触摸屏的电子设备中具有巨大的应用潜力。

物理量的可视化也是人机交互的一个研究方向。Yao等[95]使用三烷氧基硅烷-甲基丙烯酸酯对PZT进行表面修饰, 然后添加到紫外固化胶中, 并以此3D打印了可以插入拳击手套的柔性压电晶格, 如图7(b)所示, 然后结合配套的数据采集和无线数据传输模块, 将来自晶格的感应电压无线传输到用户界面的数据接收设备(手机)以读取力的各项数据，最后在自定义用户界面上显示力大小分布。通过力的分布图, 教练可以针对拳击运动员的不规范动作进行指导。Liu等[98]制备了一种柔性可穿戴压电传感器, 除了能感应声音震动等轻微动作外还可以贴附在手肘及手指处进行排球动作的识别, 对纠正不规范的姿势及发力方式有指导性意义。这是可穿戴压电力学传感器的一个实用的发展方向。

交互式人机界面(iHMI)使人能够控制硬件并收集反馈信息, 是人与机器之间的桥梁, 近年来受到广泛关注并迅速发展。在iHMI中, 柔性压力和弯曲角度传感器是软机器人和手势识别等应用中最重要的组件。Deng等[96]利用静电纺丝技术制备了具有豇豆结构的PVDF/ZnO纳米纤维(CPZNs), 并基于CPZNs的柔性自供电压电传感器(PES)测量了弯曲角度。如图7(c)所示, 在44°到122°范围内可以获得4.4 mV/(°)的最佳弯曲灵敏度和76 ms的较短响应时间。基于此优异的性能, PES可以监测人类手指的运动, 从而实现对机械手掌的远程控制。贴在指节内侧的传感器可以感知人手指的弯曲运动, 能够实现机器人手掌的无线控制, 做出相同的手势。这种远程操作的无线控制方式有着极为广阔的应用前景。Gao等[97]借由一种四足结构的ZnO与PVDF结合制备了一种压电薄膜，对弯曲也有很好的响应。如图7(d)所示, 将其集成到手套上的指关节处, 通过数据处理模块, 将做出不同手势的手指弯曲转化成二进制数据, 再由终端将二进制数据解码, 从而表达不同手势包含的完整信息。这将对一些残疾人士有所帮助。