基于自供电压电纳米纤维膜的可穿戴式触觉传感器用于人体运动监测和识别

研究背景

在向智能社会过渡的过程中，数字化一直在迅速改革人们与他人的互动方式。传统的监测和跟踪人类运动的手段正在被更有效、更可持续和更智能的方法所取代，可穿戴和柔性电子器件开始发挥越来越重要的作用。从 COVID-19 大流行中恢复过来，公众对健康监测的认识不断提高导致对能够检测重要生理信号或实时监测身体活动的高性能可穿戴电子设备的需求空前强烈。这些可穿戴电子设备预计将表现出灵活性、轻盈性、易于粘附在人体皮肤上，并能承受机械变形，以提供必要的舒适性并避免干扰常规活动。可穿戴传感器可以帮助跟踪用户的健康数据，如生命信号或用户的活动，从而提高生活质量。已经报道的各种应用包括运动跟踪识别、康复、智能运动、生物信号跟踪和其他医疗保健应用。在各种形式的可穿戴传感器中，自供电的传感器由于其固有的材料特性而受到广泛关注，这使得它们能够在不依赖外部电源的情况下进行多功能操作。这些可独立操作的设备特别吸引人，因为它们不受动力装置体积的限制，而且是可再生的、可持续的和可携带的。此外，推广自供电的电子产品为减轻能源供应的负担和促进可持续发展的途径提供了一个潜在的解决方案。可穿戴式传感器通常采用的能量采集自供电机制可分为摩擦静电、压电、热电和热电，其中压电纳米发电机(PENG) 已显示出巨大的潜力和能力，由于其稳定的响应性可对触觉刺激作出高的机械-电气转换效率。

研究成果

可穿戴式传感器因其方便穿戴在身上实时监测和跟踪身体运动或锻炼活动而引起了广泛的兴趣。然而，可穿戴电子装置需要依靠供电系统来运作。在此，新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授团队研究了一种基于PVDF纳米纤维的自供电、多孔、柔性、疏水和透气的纳米纤维膜，作为一种低成本和简单制造的触觉传感器，用于人体运动检测和识别。具体来说，研究了多壁碳纳米管 (CNT)和钛酸钡(BTO)作为添加剂对纤维形态的影响，以及压电纳米纤维膜的机械和介电性能。所制造的 BTO@PVDF 压电纳米发电机(PENG)表现出较高的  相含量和最佳的整体电性能，因此被选为柔性传感装置组件。同时，纳米纤维膜表现出强大的触觉感应性能，该装置表现出超过 12000 次加载测试周期的耐久性，保持 82.7 ms的快速响应时间对0-5 bar的宽泛压力范围做出反应，并显示出高的相对灵敏度，特别是在垂直于表面施加压力时，在 11.6 V/bar的小力范围内。此外，当附着在人体上时，其独特的纤维状和柔性结构使触觉传感器能够以自供电的方式将不同的运动转化为具有不同模式或序列的电信号，从而作为一种保健监测器。相关研究以“A Self‑Powered Piezoelectric Nanofibrous Membrane as Wearable Tactile Sensor for Human Body Motion Monitoring and Recognition”为题发表在Advanced Fiber Materials期刊上。

图文导读

Fig. 1 Preparation of nanofiber membrane.

Fig. 2 Characterization of the hydrophobic nanofiber membranes.

Fig. 3 XRD spectra of three types of ESNF membranes.

Fig. 4 Improved β-phase content ratio through electrospinning and additives in nanofibers.

Fig. 5 Waveform spectrum of electrical responses from self-powered nanofibrous PENG.

Fig. 6 Body motion detection and recognition using PENG device based on ESNF membrane.

总结与展望

通过电纺技术成功制造了一种自供电压电纳米纤维膜作为可穿戴式触觉传感器用于人体运动监测和识别。基于 PVDF的 ESNF 膜具有良好的机械和电气性能，如灵活性、耐久性、疏水性、透气性和渗透性，使其特别适合于可穿戴式触觉传感器。ESNF 膜中B 相含量的提高也确保了其压电性能。组装后的 PENG 传感装置在广泛的压力范围内表现出了出色的灵敏度在0-10 N的精确压力检测中为 116 mV·kPa-1，在 10-100 N 范围内的负载中为6.6 mV·kPa-1)，快速响应时间为82.7ms，在12000次负载测试周期中具有出色的耐久性。此外，PENG 装置可作为可穿戴式触觉传感器使用，通过产生代表性的波形电压模式，对应于不同的身体运动。这表明 PENG触觉传感器有可能扩大自供电电子可穿戴设备的应用，并提供一种方便的身体运动监测和识别方式。正如所展示的那样，PENG触觉传感器扩大了自供电电子可穿戴设备的应用范围，并提供了一种可行的、方便的身体运动监测和识别方式。

文献链接

A Self‑Powered Piezoelectric Nanofibrous Membrane as Wearable Tactile Sensor for Human Body Motion Monitoring and Recognition

https://doi.org/10.1007/s42765-023-00282-8

转自：“i学术i科研”微信公众号

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