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  近日，西南交通大學(xué)楊維清教授團(tuán)隊(duì)的青年教師鄧維禮和研究生楊濤，在國際期刊《Nano Energy》發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文（影響因子13.12），利用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建了一種基于獨(dú)特豇豆結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程控制中的應(yīng)用。由于混合PVDF/ZnO的協(xié)同壓電效應(yīng)和聚合物的柔韌性，該P(yáng)ES表現(xiàn)出優(yōu)異的彎曲靈敏度（4.4mV deg-1），角度范圍從44°到122°，快速響應(yīng)時(shí)間為76ms，并且具有良好的機(jī)械穩(wěn)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(yīng)時(shí)間為16 ms。當(dāng)集成在iHMI中時(shí)，PES可以在不同的曲面上適應(yīng)性地覆蓋，展示精確的彎曲角度記錄和快速識別，以實(shí)現(xiàn)智能化人機(jī)交互。在此基礎(chǔ)上，通過與人手同步動(dòng)作的方式成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。這種基于CPZNs的自供電PES在結(jié)構(gòu)和基本機(jī)制上是獨(dú)特的，并且在iHMI中具有巨大的潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Cowpea-structured PVDF/ZnO Nanofibers Based Flexible Self-powered Piezoelectric Bending Motion Sensor Towards Remote Control of Gestures”發(fā)表于Nano Energy期刊上，鄧維禮和楊濤為共同一作。

  交互式人機(jī)界面（iHMI）使人類能夠控制硬件和收集反饋信息，是人與機(jī)器之間的橋梁，近幾年引起了廣泛的關(guān)注和迅速的發(fā)展。在iHMI中，柔性壓力傳感器和彎曲角度傳感器被認(rèn)為是機(jī)器人和手勢識別等應(yīng)用中最重要的部件。當(dāng)這些傳感器集成到iHMI中，模擬人類皮膚的綜合特性時(shí)，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持續(xù)電源。然而，傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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，但它們具有低靈敏度，以及壓電性能差。目前關(guān)于彎曲檢測的報(bào)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(shí)現(xiàn)具有自驅(qū)動(dòng)能力的彎曲角度的定量測量仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

圖1. 基于CPZN的自供電PES的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(a) 應(yīng)用于iHMI領(lǐng)域的開發(fā)智能傳感器示意圖。(b) 裝置，(c) NFs薄膜和(d) 單跟NF的示意圖。(e) 彎曲模式下傳感器的照片。(f)NF的SEM圖像。(g) 單跟NF的TEM圖像。(h) FEM模擬的結(jié)果。(i) 基于PES的機(jī)器人手遙控器的應(yīng)用。

圖2. PES的CPZN的表征。(a) PVDF/ZnO柔性傳感器制造過程。PVDF/ZnO中 ZnO含量為(b)0wt％，(c) 1wt％，(d) 3wt％，(e) PVDF/ZnO 5wt％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. 設(shè)計(jì)的PES的電氣特性。(a) 壓力模型下PES的測量示意圖。0.35 N ~ 8.75 N不同力下PES的開路電壓(b)和短路電流(c)的關(guān)系。(d) 不同作用力下一周期開路電壓的放大圖。(e) 壓力模型中PES的升降次數(shù)。(f) 壓力為4.67 kPa的重復(fù)加壓/減壓條件下的PES在5000次循環(huán)下的力學(xué)耐久性試驗(yàn)。(g) 顯示彎曲模型下PES測量的示意圖。不同的角度（φ）范圍從122°到44°，PES的開路電壓(h) 和短路電流 (i) 關(guān)系。(j) 不同角度下增加開路電壓。(k) 彎曲模型中的PES的上升/下降時(shí)間。(l) 角度為97°持續(xù)5000次循環(huán)重復(fù)彎曲/不彎曲條件下，PES的機(jī)械耐久性試驗(yàn)。

圖4. 設(shè)計(jì)的PES在iHMI中的應(yīng)用。(a) 檢測PES握把力量的照片。(b) 不同握把強(qiáng)度下PES的短路電流輸出。(c) 放置在書中的PES檢測開/合書角度的照片。(d) PES在關(guān)閉階段（紅色區(qū)域）和開啟階段的短路電流輸出（藍(lán)色區(qū)域）。(e) 一種人機(jī)遙控系統(tǒng)示意圖，采用幾個(gè)簡單的電氣模塊實(shí)現(xiàn)手勢遠(yuǎn)程控制。(F) 基于PES的手勢遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用。

  綜上所述，研究者通過電紡絲的方法成功地制備了豇豆結(jié)構(gòu)的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(yùn)動(dòng)監(jiān)測的應(yīng)用。所制備的PES既可以在壓力又可以在彎曲條件下不需要外部電源的情況下工作，并具有良好的柔韌性和高靈敏度。通過無線傳輸脈沖信號從人類手指到機(jī)器人手掌，進(jìn)一步成功實(shí)現(xiàn)自供電的實(shí)時(shí)手勢遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。更重要的是，PES的優(yōu)異性能使其很容易地集成到測量系統(tǒng)中，為iHMI的物理信號監(jiān)測、手勢傳感等應(yīng)用提供了巨大的潛力。

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