西南交大楊維清Nano Energy：一種基于獨特豇豆結構CPZNs的柔性自供電壓電傳感器

【前言】

交互式人機界面（iHMI）使人類能夠控制硬件和收集反饋信息，是人與機器之間的橋梁，近幾年引起了廣泛的關注和迅速的發展。在iHMI中，柔性壓力傳感器和彎曲角度傳感器被認為是機器人和手勢識別等應用中最重要的部件。當這些傳感器集成到iHMI中，模擬人類皮膚的綜合特性時，它們需要被一致地覆蓋在人體上，甚至需要集成類皮膚電池或自供能電源。然而，傳統的基于壓電PZT和AlN的壓力傳感器由于制造溫度高、固有的脆性難以實現彎曲測量，與柔性襯底不兼容。聚合物基壓電傳感器，如聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好的靈活性，但它們壓電性能差所制得的器件靈敏度低。目前關于彎曲檢測的報道多為定性測量，僅判斷是否存在彎曲，但對彎曲角度的定量檢測較少。因此，在iHMI中實現具有自驅動能力的彎曲角度的定量測量仍然是一個很大的挑戰。

【成果簡介】

近日，西南交通大學楊維清教授團隊的青年教師鄧維禮和研究生楊濤，利用靜電紡絲技術構建了一種基于獨特豇豆結構CPZNs的柔性自供電壓電傳感器(PES)，定量測量了其彎曲角度，并成功演示了PES在iHMI手勢遠程控制中的應用。由于混合PVDF/ZnO的協同壓電效應和聚合物的柔韌性，該PES表現出優異的彎曲靈敏度（4.4mV deg-1），角度范圍從44°到122°，快速響應時間為76ms，并且具有良好的機械穩定性。此外，PES可在彎曲和按壓模式下工作，顯示0.33 V kPa-1的超高壓力靈敏度，響應時間為16 ms。當集成在iHMI中時，PES可以在不同的曲面上適應性地覆蓋，展示精確的彎曲角度記錄和快速識別，以實現智能化人機交互。在此基礎上，通過與人手同步動作的方式成功實現了機器人手的遠程控制應用。這種基于CPZNs的自供電PES在結構和基本機制上是獨特的，并且在iHMI中具有巨大的潛在應用。相關研究成果以“Cowpea-structured PVDF/ZnO Nanofibers Based Flexible Self-powered Piezoelectric Bending Motion Sensor Towards Remote Control of Gestures”發表于Nano Energy期刊上，鄧維禮和楊濤為共同一作。該項工作得到了國家自然科學基金青年基金、國家重點研發計劃項目及四川省科技廳國際合作項目等項目的支持。

【圖文導讀】

圖1. 基于CPZN的自供電PES的結構設計

(a) 應用于iHMI領域的開發智能傳感器示意圖

(b-d) 分別為傳感器結構、NFs薄膜和單根NF的示意圖

(e) 彎曲模式下傳感器的照片

(f) ?NF的SEM圖像

(g) 單根NF的TEM圖像

(h) FEM模擬的結果

(i) 基于PES的機器人手遙控器的應用

圖2. PES的CPZN的制備與表征

(a) PVDF/ZnO柔性傳感器制備過程

(b-e) 不同ZnO含量PVDF/ZnO復合材料的SEM圖像

(f) PVDF/ZnO NFs的元素分布圖

(g) PVDF/ZnO NF的XRD圖

(h) PVDF/ZnO NFs的拉曼光譜

(i) PVDF/ZnO NF的FTIR光譜

圖3. PES的不同模式下電性能測試

(a) 壓力模型下PES的測量示意圖

(b-c)不同壓力下PES的開路電壓和短路電流

(d) 不同作用力下單個周期開路電壓的放大圖

(e) 按壓模式中PES的響應時間

(f) 器件在按壓模式中的循環穩定性測試結果

(g)彎曲模型下PES測量的示意圖

(h-i)不同彎曲角度下PES的開路電壓和短路電流

(j) 不同角度下單個周期開路電壓的放大圖

(k) 彎曲模型中的PES的響應時間

(l) 器件在彎曲模式中的循環穩定性測試結果

圖4.?PES在iHMI中的應用

(a) PES檢測握力器握力的照片

(b) 不同握力下PES的短路電流輸出

(c) PES檢測書本開合狀態的照片

(d) 書本在不同開合狀態下PES的短路電流輸出

(e) 人機無線控制系統示意圖

(F) 基于PES的手勢遠程控制的應用

【小結】

研究者通過電紡絲的方法成功地制備了豇豆結構PVDF/ZnO納米纖維，并展示了其作為柔性自供電壓電傳感器用于壓力傳感和彎曲運動監測的應用。所制備的PES在不需要外部電源的情況下既可以在壓力模式也可以在彎曲模式下工作，并具有良好的柔韌性和高靈敏度。通過監測信號的無線傳輸，進一步成功實現了從人類手指到機器人手掌自供電的實時手勢遠程控制系統。更重要的是，PES的優異性能使其很容易地集成到測量系統中，在iHMI的物理信號監測、手勢傳感等應用方面具有巨大的應用潛力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.049

本文由西南交大楊維清課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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