研究背景
柔性壓電傳感器是一種能夠將機械信號轉化為電信號的常用器件，所以廣泛應用于監(jiān)測人體生理信號、體態(tài)變化以及人機交互等領域。然而，現有的柔性壓電傳感器普遍存在透氣性不佳的問題，這主要是由于傳感器封裝所帶來的限制。傳感器封裝常采用不透氣的材料，以防止環(huán)境濕度影響傳感器性能，從而導致用戶在佩戴過程中感受不適。此外，長時間穿戴后，傳感器封裝會阻礙皮膚與外界環(huán)境之間的氣體交換，可能導致皮膚不適和濕疹等問題的發(fā)生。
為了解決這一問題，許多科學家致力于研究開發(fā)具有優(yōu)良透氣性和舒適性的柔性壓電傳感器。然而，現有的解決方案在實際應用中仍然存在一些挑戰(zhàn)。例如，基于納米纖維膜的傳感器雖然具有良好的透氣性，但納米纖維膜的機械性能較差，難以滿足長時間使用的要求。而基于紗線的傳感器雖然具有較好的機械性能，但其外層導電紗線的封裝仍然會影響傳感器的透氣性。
鑒于此，西安工程大學柔性電子與智能紡織研究院院長樊威教授和沙赫魯德理工大學Mashallah Rezakazemi教授和南京林業(yè)大學葛省波副教授聯(lián)合Nature communications期刊發(fā)題為“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”的研究論文。本研究提出了一種新型的三維壓電織物（3DPF）傳感器。該傳感器利用先進的紡織技術，將不同性能的紗線編織成具有正交結構的三維織物，從而同時實現了良好的透氣性和優(yōu)異的機械性能。通過合理設計紗線材料和結構，該傳感器能夠實現汗液的快速排泄，保持用戶的干爽和舒適。此外，研究者還通過選用合適的電極材料，確保了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。
值得注意的是：西安工程大學為第一署名單位，樊威教授為論文的第一以及通訊作者；碩士研究生雷睿心為第二作者；此外，該工作的合作者包括：西安工程大學竇皓副教授、武崢教授，西安交通大學王淑娟副教授、西北工業(yè)大學劉旭慶教授、英國曼徹斯特大學李翼教授、KLE技術大學Tejraj M. Aminabhavi教授，西安工程大學碩士研究生陸琳琳（現為同濟大學博士生）和陳煒純（現為中山大學博士生）。
1. 獨特的材料結構設計：本文通過采用PVDF納米紗線、銀-尼龍紗線、Coolmax紗線、粘膠紗線和聚酯紗線的合理組合，構建了具有三維結構的壓電織物（3DPF）。這種材料結構設計不僅保證了壓電性能，還實現了單向水傳輸功能，提高了穿戴舒適度。
2. 高性能壓電納米紗線的制備技術：本文采用共軛靜電紡絲和熱拉伸技術制備了高性能的PVDF納米紗線，具有優(yōu)異的壓電性能和機械性能。這一技術創(chuàng)新為制備高性能壓電材料提供了新的途徑。
3. 3D紡織技術的應用：本文利用全自動劍桿織機將不同紗線編織成三維結構的3DPF，實現了對材料結構的精確控制。這種結構設計和制備技術為柔性壓電傳感器的發(fā)展提供了新的思路和方法。
4. 耐用性和舒適性的綜合評估：本文通過對3DPF的耐穿性、舒適性等方面進行綜合評估，驗證了其在實際穿戴中的可行性和舒適性。這一綜合評估為進一步優(yōu)化材料設計和制備工藝提供了重要參考。
5. 智能應用的探索：本文將3DPF應用于床單自供電開關和兒童腰帶報警功能，展示了其在智能醫(yī)療和智能穿戴領域的潛在應用。這一創(chuàng)新將柔性壓電傳感器技術與智能化應用結合起來，為智能醫(yī)療和智能穿戴領域的發(fā)展提供了新的可能性。
圖文解讀
圖1. 三維壓電織物（3DPF）的制造和結構示意圖。
總結展望
這項研究首先通過獨特的材料結構設計，將PVDF納米紗線與吸濕性能不同的普通紗線和導電紗線編織在一起，形成了具有優(yōu)異機械性能和壓電性能的三維壓電織物（3DPF）。其次，利用Z方向的Coolmax紗線實現了3DPF的高強度和防重力單向水傳輸功能，從而提高了穿戴舒適度和功能性。此外，研究還發(fā)現，人體出汗對3DPF的壓電性能具有增強作用，這為實現智能穿戴產品的自供電開關功能提供了新的思路。
文獻詳情：
Fan, W., Lei, R., Dou, H. et al. Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor. Nat Commun 15, 3509 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47810-7
