利用电纺纳米纤维改进柔性压电传感器的研究

柔性压电传感器对于监测人类和类人机器人的运动至关重要。然而，现有的设计要么成本高昂，要么灵敏度有限

在最近的一项研究中，来自日本的研究人员通过开发一种新型压电复合材料来解决这些问题，该材料由电纺聚偏二氟乙烯纳米纤维与多巴胺结合制成。由这种材料制成的传感器以低成本显示出显著的性能和稳定性改进，有望在医学、医疗保健和机器人领域取得进展

他们的研究由杰出教授Ick Soo Kim与熊俊鹏、王玲、Mayakrishnan Gopiraman和石健共同领导，发表在《先进纤维材料》杂志上

世界正快速迈向智能时代&mdash；这是历史上的一个阶段，其特点是利用人工智能和机器人等技术提高了自动化和互联性。作为这一转变中有时被忽视的基本需求，传感器代表了人类、机器及其环境之间的重要接口

然而，现在机器人变得更加敏捷，可穿戴电子设备不再局限于科幻小说，传统的硅基传感器将无法在许多应用中发挥作用。因此，提供更好舒适性和更高通用性的柔性传感器已成为一个非常活跃的研究领域

压电传感器在这方面特别重要，因为它们可以将机械应力和拉伸转换为电信号。尽管有许多有前景的方法，但仍然缺乏以低成本大规模生产柔性、高性能压电传感器的环境可持续方法

在这种背景下，日本神树大学的一个研究团队决定迎接挑战，使用一种成熟的制造技术：静电纺丝来改进柔性压电传感器的设计

所提出的柔性传感器设计涉及复合2D纳米纤维膜的逐步静电纺丝。首先，纺丝直径约为200nm的聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维，形成作为压电传感器基底的强均匀网络

然后，将直径小于35nm的超细PVDF纳米纤维纺到预先存在的基底上。这些光纤会自动交织在基础网络的间隙之间，从而创建特定的2D拓扑

通过实验、模拟和理论分析进行表征后，研究人员发现所得复合PVDF网络增强了β晶体取向

通过增强这种极性相（这是在PVDF材料中观察到的压电效应的原因），传感器的压电性能显著提高。为了进一步提高材料的稳定性，研究人员在静电纺丝过程中引入了多巴胺（DA），形成了一个保护核心&ndash；外壳结构

“使用PVDF/DA复合膜制造的传感器表现出卓越的性能，包括1.5～40N的宽响应范围、7.29V/N的对0～4N范围内的弱力的高灵敏度以及优异的操作耐久性，”Kim说

这些卓越的品质是通过使用可穿戴传感器来测量各种各样的人类动作和动作来实际证明的。更具体地说，当人类佩戴所提出的传感器时，可以对自然运动和生理信号产生容易区分的电压响应。这包括敲击手指、弯曲膝盖和肘部、跺脚，甚至说话和手腕脉搏

考虑到这些压电传感器的潜在低成本大规模生产，再加上它们使用了环保的有机材料而不是有害的无机物，这项研究不仅对健康监测和诊断，而且对机器人技术都有重要的技术意义

“尽管目前面临挑战，但人形机器人在不久的将来将发挥越来越重要的作用。例如，著名的特斯拉机器人‘擎天柱’已经可以模仿人类的动作，像人类一样行走，”金补充道

“考虑到高科技传感器目前正被用于监测机器人运动，我们提出的基于纳米纤维的高级压电传感器不仅在监测人类运动方面具有很大潜力，而且在人形机器人领域也具有很大潜力。”

为了更容易采用这些传感器，研究团队将专注于改善材料的电输出特性，以便在不需要外部电源的情况下驱动柔性电子元件