当代社会对能够监测和记录人体生理参数的智能可穿戴设备的需求不断上升，研究人员一直在研究新材料和新技术，以开发既高灵敏度又可靠的传感器。近年来，柔性压电传感器以其卓越的压电性能和化学稳定性而引人注目，这类传感器功耗低，生产成本低，有助于精确检测人体运动和生理信号。
近期，北京石油化工学院师奇松副教授课题组，研究了MXene和聚多巴胺修饰的氧化锌（PDA@ZnO）双重填料对PAN基压电复合纳米纤维薄膜性能的影响，并且开发出PAN/MXene/PDA@ZnO-5（PMPO）压电传感器，在宽线性范围内实现了28.56 V/N的灵敏度，在3000次加载-卸载循环中表现出优异的机械稳定性和耐用性以及快速的响应和恢复时间（49 ms /40 ms），展示了其增强的压电传感能力。该压电传感器不仅能够精确检测和量化微小的压力变化，使其成为监测人体细微生理信号的理想选择而且能够在大的压力范围内有效运行，便于监测人体的大幅度运动，并确保在各种应用环境中的可靠性能。相关工作以“Flexible piezoelectric sensor based on PAN/MXene/PDA@ZnO composite film for human health and motion detection with fast response and highly sensitive”为题在《Chemical Engineering Journal》期刊发表。北京石油化工学院为唯一完成单位，论文的第一作者为新材料与化工学院硕士生黄妍，通讯作者为师奇松副教授。该工作为发展高灵敏度的人体可穿戴式柔性压电传感器提供了新的思路。
图1 PMPO压电传感器的制造示意图
图2 PMPO压电传感器的传感性能
PMPO压电传感器的输出电压和施加压力呈线性相关，计算出的电压灵敏度（Sv）为28.56 V/N（图2a-2b）。在0.1 N，3 Hz下对压电传感器进行了稳定性测试，传感器的输出电压在3000次加载-卸载循环中保持一致，证明了其可靠性和稳定性（图2c）。PMPO压电传感器在0.1 N下的响应时间为49 ms，恢复时间为40 ms。（图2d），表明其对压力变化的快速响应能力。在恒定力的不同频率（2 Hz、1 Hz、0.5 Hz和0.33 Hz）下进行测试，结果表明：频率越高，输出电压越高（图2e）。将质量为20 g的砝码分别从2 cm、5 cm、8 cm和 10 cm高度自然掉落到传感器重心的位置，由于传感器表面的加速度、动能和冲击力增加，输出电压与下落高度相关，高度越高，电压输出越大（图 2f）。通过调整放置在PMPO压电传感器中心的电极贴片的面积大小并施加均匀的压力，观察到较大的接触面积导致更高的输出电压（图2g）。
图3 PMPO压电传感器监测人体微小的生理运动
PMPO压电传感器具有灵敏度高、响应速度快和耐用性好等特点，有望用于实时监测、微小目标检测等实际应用。将压电传感器放置在人体的颈部可以识别人体呼吸的状态，深呼吸时出现了输出电压信号，而屏气时输出信号基本为0（图3a）。监测腹部呼吸时也能出现稳定的电信号（图3b）。同时，还能很好的感知声带振动发声，当大声说“Notebook”时，通过声带产生的振动被传感器采集信号来识别喉咙的语言状态，志愿者以正常的速度大声读出“NoteBook”这个单词，在正常音调下有明显的压电输出，最大输出电压为0.75 V(图3c)。值得注意的是，该传感器显示了其人体检测微小生理信号的变化能力，例如监测人体的皱眉、微笑、脸颊鼓动（图3d-3f）等细微的生理活动，能够根据身体不同部位所经历的不同应变显示出独特的信号变化，从而熟练地传输信号并识别细微的人类动作，在可穿戴医疗健康领域具有重要意义。
图4 PMPO监测人体运动
这种先进的压电传感器能够区分不同的弯曲角度和关节运动，展示了其精确监测人体姿势的潜力。PMPO压电传感器会根据不同的施力方式产生不同的电压信号，如弯折、扭转等方式（图4a）。如图4b至4d所示，它可以准确跟踪各种颈部弯曲动作，每个动作都会产生独特的波形和稳定的输出，例如头部向上、向下倾斜或左右摇晃，值得注意的是，在头部向上和向下倾斜期间记录了相反的电压信号，相似的倾斜角度产生约0.8 V的输出电压。如图4e所示，将手腕向上或向下弯曲90°分别会产生正电压和负电压信号，当贴合在足背上时，传感器在弯曲时捕获特定的电压信号（图4f），该传感器能够固定在不同的身体部位，通过分析输出电压波形来有效识别身体运动，例如，当位于膝盖上时，它会监测下蹲动作（图4g）；在肩部附近，它能够检测旋转运动（图4h）；在肘部时，它能够识别人体做俯卧撑时的弯曲角度和受力情况，有助于纠正不正确的运动姿势（图4i）；在腹部时，它可以监测仰卧起坐姿势（图4j）。该传感器通过提供对各种身体活动的准确监测，为可穿戴医疗保健和健身应用做出了重大贡献。如图（4k至4l）所示，在分析各种人体关节的弯曲运动时，上肢，尤其是肘部，表现出增强的灵活性。与膝盖相比，肘部弯曲运动的灵敏度更高，坡度更陡，与膝关节弯曲相比，肘部弯曲产生的输出电压信号频率更高，响应恢复更快，峰值更尖锐，膝关节的运动频率和弯曲角度较低，表现出比肘关节运动更低的敏感性，尽管如此，膝关节似乎承受了更大的压力，这反映在相对于肘部弯曲的更高峰值电压输出上，这些关节之间的明显结构差异解释了每个动作所表现出的独特模式，这可能有助于识别特定的人类活动，PMPO压电传感器能够区分人体关节的不同弯曲角度和频率，显示了其在监测人体姿势和运动方面的巨大应用潜力。
图5 PMPO传感器进行步态识别
PMPO压电传感器具有强大的实时监测大压力的能力，如足底压力。将传感器附着于脚掌和脚跟处可以人体监测走路时足底的受力情况，对于人体正确的走路姿势来说，脚跟是最先着地的地方，也是承受压力最多的部分。脚跟落地缓冲之后，便会沿脚掌迅速继续向前滚动，所以脚掌也会承受一定的压力，但承受的冲击力比足跟小，志愿者按照正确的姿势走，脚掌承受的力转化为电压信号的峰值为10 V，脚跟处则为30 V，走路的频率为1 Hz（图5a-5b）。传感器的输出响应在行走阶段表现出相当稳定和均匀的波形，对于人体姿势检测，PMPO压电传感器被固定在脚底，可以用来识别不同的步态，如行走、跑步和跳跃。在不同的运动模式下（图5b-5f），运动频率和鞋底与传感器的接触以及受到的冲击力都会影响电压输出信号，步行、跑步和跳跃其对应的电压输出峰值分别为10 V，60 V，40 V，频率分别为1 Hz，3 Hz，2.4 Hz，不同的跳跃模式也会呈现出不同的电压信号。传感器产生的检测信号表现出与步频、接触面的受力情况相符的明显变化，证明了该应变传感器适合连续、实时地监测与人体运动密切相关的信号。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724024847
