北京科技大學王寧、曹霞/王中林院士ACS Nano:多功能壓電電子皮膚——PENG！

可穿戴電子設備近年來引起了人們的極大興趣。目前，已經開發出各種可伸展材料和工程可伸展結構，無論是通過將諸如金屬或碳的導電材料沉積到聚合物襯底上，還是通過將這些導電材料嵌入到聚合物襯底中都是如此。然而，最新的壓電傳感器一般由聚合物、導電材料、傳感器和集成電路組成，其本身缺乏延伸性。與聚偏氟乙烯(PVDF)相比，傳統的基於鋯鈦酸鉛(PZT)的傳感器通常被認爲是沒有柔軟性的，而且是有毒的。然而，最近的研究表明，PZT與聚合物混合幷包裹在聚合物中可以提高可伸縮性和減弱毒性。此外，傳感器的功能單元可以與柔性/彈性壓電薄膜集成，可以實現高電荷密度、機械韌性以及對多種刺激的靈敏響應，這是傳感器模擬人類皮膚所必需的。

受基於PZT的可伸縮傳感器允許大變形的啓發，來自北京科技大學的王寧教授、曹霞博士以及王中林院士團隊介紹了一種基於PZT-SEBS複合彈性體的生物相容性壓電電子皮膚。高彈性(彈性約爲950%)的PENG不僅能從周圍環境中獲取機械能，而且對多種外界刺激表現出低毒性和優異的傳感性能。對運動捕捉、溫度、語音識別的同步和獨立感知性能（尤其是二維力感知）大大促進了其在生理、聲音恢復和其他智能系統中的廣泛應用。相關工作以題爲“Piezoelectric Nanogenerator for Highly Sensitive and Synchronous Multi-Stimuli Sensing”的研究性文章在《ACS NANO》上發表。

PENG的工作原理和電氣性能

圖1a顯示了PENG的工作原理。在目前的柔性設計中，PZT是作爲壓電材料引入的。當施加外力時，正負電荷對稱性的變化導致隨後的電子流經外部電路。換句話說，輸出的電信號是外界刺激在PENG上的反射，這構成了PENG傳感器的基礎。複合PENG可以很容易地彎曲成任何角度，並且可以拉伸到其原始長度的950%(圖1c)。還表現出良好的彈性，當外部壓力解除時，PENG幾乎同時恢復到原來的形狀。 圖1d-f分別顯示了相應頻率和壓力下的短路電流(I sc)、開路電壓(V oc)和電荷轉移，其最大輸出電流爲8.73μA，對應的電流密度爲9.70 mA·m −2，開路電壓也達到100V左右。圖2a、b是在不同頻率(1Hz、2Hz、4Hz、5Hz)下測得的PENG(20wt%PZT)的I SC和V OC，I SC與頻率的增加成正比，如圖2a所示，而V OC基本保持不變。圖2c，d是具有不同PZT含量的PENG的輸出性能。在4 Hz的固定頻率下，I sc和V OC都在PZT的20wt%左右增加到峰值，然後下降(圖2c，d)。當PZT含量大於20wt%時，由於壓電顆粒之間的相互屏蔽，當PZT顆粒的偶極在實際狀態下不同方向重排時，會出現退化現象。最終的電學性能是所有壓電粒子的總和。

圖1.PENG的工作原理示意圖。

圖2.PENG(20wt%PZT)在不同頻率下的ISC和VOC。

本文設計的傳感器的測試

模仿人類皮膚的綜合能力吸引了人們對人機交互系統的極大興趣，例如語音安全、無人機和機器人的控制以及人工智能(AI)(圖3a)。爲此，本文測試了PENG對不同外界刺激(如機械力、聲波、溫度傳感、人體運動)的傳感性能，如圖3a所示。圖3b顯示了PENG對一滴水(約30μL)的電壓響應。當一滴水(約30μL，0.03g)落在PENG上時獲得了26.58V的實時電壓響應。圖3c顯示了在較寬的線性範圍內(0.0025N cm −2至0.25N cm −2)對靜力的靈敏電流響應(2.4 mA N cm −2)，而對壓力的電壓響應基本保持不變(約25 V)。圖3d顯示了PENG的I SC對不同靜壓刺激的響應變化，以及用COMSOL有限元方法模擬了PENG基本單元在不同靜壓下的電位分佈。從圖3d可以看出，模擬結果與實驗數據吻合較好。

圖3. 本文設計的傳感器和測量系統的示意圖。

PENG與人體皮膚結合採集信號的過程

靜態力和動態力的同步檢測對於運動捕獲和識別具有重要意義。圖4a顯示了瞬時動態力(F)和靜態力(P)響應，根據電壓信號的雙模特性可以很容易地區分這兩種響應。該響應還可用於同時檢測氣流和聲學刺激，如圖4b，c所示。這些信號易於識別，從而有助於在行爲識別中的應用。圖4d-f顯示了PENG在彎曲(2V)、伸展(1V)、拍手(6V)等不同手腕動作時的特徵反應。腳踝動作，如踏步、跳躍和蹲下在本文中也進行了測試。不同的腳部運動可以獲得明顯不同的信號圖像(圖4f)。

圖4.PENG與人體皮膚結合採集信號的過程。

基於PENG開發的語音傳感器系統

爲了進一步探索聲學感知性能，本文準備了貼片式皮膚語音傳感器，用於語音安全授權(圖5a)。圖5a 1是使用PENG的授權過程的照片。通過該裝置，可以通過數據擬合(圖5a 4)提取波形特徵以進行生物特徵識別。圖5f所示的20000次循環聲學測試顯示了其具有良好的穩定性。隨着聲刺激音量(20−100dB)的增大和減小，PENG呈現出顯著的分級規律性。因此，PENG具有良好的仿生識別靈敏度和可靠性，可以開發爲自勵式聲學傳感器。

圖5.基於PENG開發的語音傳感器系統的示意圖。

小結：PZT-SEBS PENG的具有可伸縮、生物相容性和通用性，可以在不同的拉伸條件下對壓力、聲音、溫度和氣流等外部刺激做出同步和獨立的響應。再加上對實際技術應用至關重要的製造效率、卓越的功率可持續性、低毒、機械耐用性，進一步推動了其在長期、高精度和可靠的皮膚上人體運動監測、語音和手勢識別方面的廣泛應用。

全文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07236

來源：高分子科學前沿

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