北京科技大学王宁、曹霞/王中林院士ACS Nano:多功能压电电子皮肤——PENG！

可穿戴电子设备近年来引起了人们的极大兴趣。目前，已经开发出各种可伸展材料和工程可伸展结构，无论是通过将诸如金属或碳的导电材料沉积到聚合物衬底上，还是通过将这些导电材料嵌入到聚合物衬底中都是如此。然而，最新的压电传感器一般由聚合物、导电材料、传感器和集成电路组成，其本身缺乏延伸性。与聚偏氟乙烯(PVDF)相比，传统的基于锆钛酸铅(PZT)的传感器通常被认为是没有柔软性的，而且是有毒的。然而，最近的研究表明，PZT与聚合物混合并包裹在聚合物中可以提高可伸缩性和减弱毒性。此外，传感器的功能单元可以与柔性/弹性压电薄膜集成，可以实现高电荷密度、机械韧性以及对多种刺激的灵敏响应，这是传感器模拟人类皮肤所必需的。

受基于PZT的可伸缩传感器允许大变形的启发，来自北京科技大学的王宁教授、曹霞博士以及王中林院士团队介绍了一种基于PZT-SEBS复合弹性体的生物相容性压电电子皮肤。高弹性(弹性约为950%)的PENG不仅能从周围环境中获取机械能，而且对多种外界刺激表现出低毒性和优异的传感性能。对运动捕捉、温度、语音识别的同步和独立感知性能（尤其是二维力感知）大大促进了其在生理、声音恢复和其他智能系统中的广泛应用。相关工作以题为“Piezoelectric Nanogenerator for Highly Sensitive and Synchronous Multi-Stimuli Sensing”的研究性文章在《ACS NANO》上发表。

PENG的工作原理和电气性能

图1a显示了PENG的工作原理。在目前的柔性设计中，PZT是作为压电材料引入的。当施加外力时，正负电荷对称性的变化导致随后的电子流经外部电路。换句话说，输出的电信号是外界刺激在PENG上的反射，这构成了PENG传感器的基础。复合PENG可以很容易地弯曲成任何角度，并且可以拉伸到其原始长度的950%(图1c)。还表现出良好的弹性，当外部压力解除时，PENG几乎同时恢复到原来的形状。 图1d-f分别显示了相应频率和压力下的短路电流(I sc)、开路电压(V oc)和电荷转移，其最大输出电流为8.73μA，对应的电流密度为9.70 mA·m −2，开路电压也达到100V左右。图2a、b是在不同频率(1Hz、2Hz、4Hz、5Hz)下测得的PENG(20wt%PZT)的I SC和V OC，I SC与频率的增加成正比，如图2a所示，而V OC基本保持不变。图2c，d是具有不同PZT含量的PENG的输出性能。在4 Hz的固定频率下，I sc和V OC都在PZT的20wt%左右增加到峰值，然后下降(图2c，d)。当PZT含量大于20wt%时，由于压电颗粒之间的相互屏蔽，当PZT颗粒的偶极在实际状态下不同方向重排时，会出现退化现象。最终的电学性能是所有压电粒子的总和。

图1.PENG的工作原理示意图。

图2.PENG(20wt%PZT)在不同频率下的ISC和VOC。

本文设计的传感器的测试

模仿人类皮肤的综合能力吸引了人们对人机交互系统的极大兴趣，例如语音安全、无人机和机器人的控制以及人工智能(AI)(图3a)。为此，本文测试了PENG对不同外界刺激(如机械力、声波、温度传感、人体运动)的传感性能，如图3a所示。图3b显示了PENG对一滴水(约30μL)的电压响应。当一滴水(约30μL，0.03g)落在PENG上时获得了26.58V的实时电压响应。图3c显示了在较宽的线性范围内(0.0025N cm −2至0.25N cm −2)对静力的灵敏电流响应(2.4 mA N cm −2)，而对压力的电压响应基本保持不变(约25 V)。图3d显示了PENG的I SC对不同静压刺激的响应变化，以及用COMSOL有限元方法模拟了PENG基本单元在不同静压下的电位分布。从图3d可以看出，模拟结果与实验数据吻合较好。

图3. 本文设计的传感器和测量系统的示意图。

PENG与人体皮肤结合采集信号的过程

静态力和动态力的同步检测对于运动捕获和识别具有重要意义。图4a显示了瞬时动态力(F)和静态力(P)响应，根据电压信号的双模特性可以很容易地区分这两种响应。该响应还可用于同时检测气流和声学刺激，如图4b，c所示。这些信号易于识别，从而有助于在行为识别中的应用。图4d-f显示了PENG在弯曲(2V)、伸展(1V)、拍手(6V)等不同手腕动作时的特征反应。脚踝动作，如踏步、跳跃和蹲下在本文中也进行了测试。不同的脚部运动可以获得明显不同的信号图像(图4f)。

图4.PENG与人体皮肤结合采集信号的过程。

基于PENG开发的语音传感器系统

为了进一步探索声学感知性能，本文准备了贴片式皮肤语音传感器，用于语音安全授权(图5a)。图5a 1是使用PENG的授权过程的照片。通过该装置，可以通过数据拟合(图5a 4)提取波形特征以进行生物特征识别。图5f所示的20000次循环声学测试显示了其具有良好的稳定性。随着声刺激音量(20−100dB)的增大和减小，PENG呈现出显著的分级规律性。因此，PENG具有良好的仿生识别灵敏度和可靠性，可以开发为自励式声学传感器。

图5.基于PENG开发的语音传感器系统的示意图。

小结：PZT-SEBS PENG的具有可伸缩、生物相容性和通用性，可以在不同的拉伸条件下对压力、声音、温度和气流等外部刺激做出同步和独立的响应。再加上对实际技术应用至关重要的制造效率、卓越的功率可持续性、低毒、机械耐用性，进一步推动了其在长期、高精度和可靠的皮肤上人体运动监测、语音和手势识别方面的广泛应用。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07236

来源：高分子科学前沿

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