上海交通大学：基于多尺度互连和各向异性形态遗传压电陶瓷骨架的柔性自供电3D力传感器

上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料全国重点实验室郭益平课题组在面向多向力感知的柔性压电传感器研究中取得重要进展，研究成果以“Multiscale Interconnected and Anisotropic Morphology Genetic Piezoceramic Skeleton Based Flexible Self-Powered 3D Force Sensor”为题发表在Advanced Functional Materials上。（DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202503120）

柔性传感器具有传统刚性传感器难以提供的穿戴舒适性和适形性，可以完美贴合人体皮肤或复杂曲面。其中，基于压电效应的柔性力传感器可以实现对外界机械刺激的主动感知，而无需外部供能，在可穿戴电子、机器人和人机交互等领域展现出巨大的应用潜力。近年来，为使传感层兼具压电陶瓷的高压电活性和聚合物的柔韧性，研究人员已开发出多种类型的柔性压电复合材料。然而，0-3型压电复合材料仍面临极化效率和应力传递效率低的挑战，而具有更高压电相连通性的2-3、3-3型复合材料在传感性能提升的同时牺牲了部分柔韧性，且大多具有各向同性的特性，限制了其监测多方向大弯曲变形的能力。

针对现有压电聚合物及压电复合材料在柔性-灵敏度-稳定性协同优化以及多向力感知方面的技术瓶颈，本研究以天然丝瓜内壁纤维为模板，利用简单的溶胶-凝胶法制备了具有多尺度互连结构的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷骨架，并进一步开发出了一体化的各向异性压电传感器（IAPSC sensor），其在面外压缩和弯曲模式下均表现出优异的传感能力。研究表明微观三维互连的贯通孔道结构可显著提高应力传递效率，器件在面外压缩模式下兼具低检测限（0.2 kPa）、宽传感范围（0.2-325.6 kPa）和高灵敏度（241.12 mV/kPa）。而宏观各向异性的网状结构则赋予了器件高压电各向异性和优异的可拉伸性（45%拉伸应变），实现了对弯曲变形大小和方向的同步识别。同时对称式一体化的设计使柔性器件在30万次压缩和弯曲循环后仍能保持稳定。该传感器被成功应用于人体心血管健康评估和物体弹性模量的定量识别，在健康监测和机器人智能感知领域展现出巨大应用潜力。该研究丰富了遗态材料的多样性，为功能陶瓷的结构设计提供了一种新的方法。

图1.传感器的设计、结构和应用场景

利用该传感器对不同个体桡动脉脉搏波进行长时间监测，采集压电脉搏波。由于传感器具有出色的灵敏度和工作稳定性，可以采集到人体标准的脉搏波信号（三段波）。采用特征参数法对脉搏波特征进行提取和分析，并结合定标后的血压波对不同个体的心血管参数进行计算和分析，最后对四名个体的心血管健康状况进行评估。例如，个体3的心输出量（CO）和搏动量（SV）偏高，血管弹性（AC）偏低，但血流阻力（TPR）正常，表明其心脏泵血功能异常且存在轻度动脉硬化，基于压电脉搏波的评估结果与个体实际病症吻合度高，表明该传感器在心血管疾病早期筛查和预防方面有巨大应用潜力。

图2.传感器用于人体心血管健康状况的综合评估

基于传感器的压电响应机制，开发了一种物体弹性模量的定量识别策略。通过测试具有不同弹性模量物体的动态电压响应信号，可以计算出弹性模量。传感器的高灵敏度使其可以分辨物体微小的模量差异。且计算结果与实验结果一致性良好。

图3.传感器用于物体弹性模量的定量识别

论文第一作者为上海交通大学材料科学与工程学院203级直博生姜晨晖，上海交通大学材料科学与工程学院郭益平教授和长征医院宝轶副教授为论文的共同通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划（No.2022YFA1205300 and No.2022YFA1205304）和上海交通大学“深蓝计划”重点项目（SL2022ZD103）的资助。

审核编辑 黄宇