西南交大楊維清Nano Energy：一種獨特千層餅結構的面向個性化體育訓練的柔性壓電復合傳感器

【引言】

利用智能傳感器收集和分析運動數據進而指導運動員訓練在現代體育競技中發揮著越來越重要的作用。在球類運動中，如何通過實時監測不同物體間的相互作用，進而反饋運動員姿態與球體運動軌跡的相互關系，對于指導運動員訓練顯得尤為重要。然而，現行的視覺監測系統如羽毛球運動中的鷹眼或足球比賽中的視頻助理裁判只能反映某幾個角度中物體的運動軌跡或運動員的姿態，并且很難反映運動員和客體之間的相互作用力。如果在類似乒乓球這種球與球拍高頻相互作用的運動中實現該功能，視覺監測系統則需要大量的監測設備和快速的數據處理，導致難以實現全方位實時監測。因此，如何實現這種不同物體間相互作用的快速準確測量對智能運動的發展尤為重要。

【成果簡介】

近日，西南交通大學的楊維清教授團隊通過非溶劑誘導相分離聯合高壓結晶的兩步法制備了一種獨特的富含片晶結構的類千層餅狀柔性PZT/PVDF壓電復合傳感器，并成功演示了其在指導個性化乒乓球訓練中的應用。利用該獨特結構所具有的層間電勢累積效應和快速的應力釋放，該傳感器表現出了優異的靈敏度 (6.38 mV/N)，超快的響應時間 (21 ms)，且具有較好的機械穩定性。在此基礎上，將其集成在乒乓球拍上，可以準確檢測擊球的位點和作用力，進而反饋運動員的狀態并為個性化訓練提供指導，展現了巨大的應用前景。相關成果以“Rich Lamellar Crystal Baklava-structured PZT/PVDF Piezoelectric?Sensor Toward Individual Table Tennis Training” 發表于Nano?Energy期刊上，碩士研究生田果為第一作者，青年教師鄧維禮和楊維清教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金、四川省科技廳國際合作項目以及中央高校基礎研究經費等項目的支持。

【圖文導讀】

圖1. 智能訓練系統示意圖

(a) 應用于乒乓球訓練監測的智能球拍示意圖；(b) 傳感器結構示意圖；(c) 自制熱壓加工裝置示意圖及智能球拍實物圖；(d)智能球拍的應用場景。

圖2. 壓電復合材料的結構設計和表征

(a) 壓電活性β相PVDF的分子結構；(b)壓電β相片晶的制備思路；(c) 樣品表面的形貌結構，插圖為SAXS表征；(d) 壓電復合材料的截面形貌；(e) 復合片晶結構的透射表征；(f, g)不同PZT摻雜量下的XRD和FTIR表征。

圖3. 器件的力電性能測試

(a) 壓電電荷分布示意圖；(b,?c) 不同摻雜量的壓電復合材料在不同壓力下的開路電壓和短路電流；(d, f) 確定壓力下不同摻雜量的器件的長周期和兩個周期內的信號；(e) PZT: PVDF質量比為1:10時不同壓力下的電壓輸出。

圖4. 智能球拍的應用

(a-c) 球在球拍上移動一定路徑時的示意圖以及電信號響應；(d) 在球拍上作用不同力監測到的電壓信號；(e) 壓力傳感器的靈敏度測試；(f) 器件的響應時間測試；(g) 無線監測系統示意圖；(h) 無線監測系統用于確定擊球位點實物圖；(i) 傳感器在球拍上分布的示意圖；(j) 20000次擊球下的位點統計分布；(k) 部分擊打的電信號及擬合力大小。

【小結】

研究者通過溶劑誘導相分離結合熱壓的兩步法構建了具有獨特千層餅結構的PZT/PVDF壓電復合膜，并展示了其在指導個性化乒乓球訓練中的應用。所制備的傳感器可以實時監測到乒乓球的擊打位點和作用力，從而可以科學的分析運動員的訓練狀態并制定切身的訓練計劃。這項工作在傳統視覺監測系統之外為智能運動提供了一種全新的監測方式，同時也為智能電子設備的應用開拓了一個新的視角。

論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.013

本文由西南交通大學的楊維清教授團隊供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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