香港城大楊征保課題組Science子刊：一種新型柔性壓電陶瓷剪紙，用于預(yù)防關(guān)節(jié)疾病

隨著生活水平的提高，長期工作帶來的關(guān)節(jié)類疾病近年來反而對年輕人造成了諸多困擾，這也造成了工作效率下降和罹患關(guān)節(jié)炎疾病風(fēng)險增加等很多問題。而解決這個問題的一種方法就是開發(fā)一種持續(xù)監(jiān)測人體關(guān)節(jié)運動的檢測系統(tǒng)，用來預(yù)防這種關(guān)節(jié)疾病。目前很多研究中已經(jīng)提出了各種各樣的可穿戴傳感器用來獲取人體關(guān)節(jié)的運動信號，但是這些傳感器大多數(shù)具有復(fù)雜且剛度極大的結(jié)構(gòu)，而且不能全方位地記錄人體關(guān)節(jié)的運動信息，這些問題都限制了它們的實際應(yīng)用。

近日，香港城市大學(xué)楊征保課題組的研究團隊提出了一種基于剪紙結(jié)構(gòu)的高度各向異性壓電陶瓷復(fù)合材料，用以監(jiān)測關(guān)節(jié)運動和預(yù)防關(guān)節(jié)疾病。相關(guān)研究成果以“Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders”為題在國際期刊Science Advances上發(fā)表（DOI: 10.1126/sciadv.abf0795）。港城大在讀博士洪穎為該論文第一作者，在讀博士王標(biāo)為該論文共同第一作者，楊征保博士為論文通訊作者。

研究人員發(fā)現(xiàn)，用這種基于剪紙結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷復(fù)合材料制成的傳感器能夠在監(jiān)測關(guān)節(jié)運動的同時并且區(qū)分不同的運動模式。研究人員為此提出了一種改進的溶膠-凝膠模板法，用于制備這種柔性壓電陶瓷復(fù)合材料，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了二維蜂窩狀壓電陶瓷剪紙作為核心傳感器元件。這種獨特的剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅能夠改善其壓電性能，而且還提供了機械和壓電的雙重各向異性。利用這種各向異性，研究人員可以在測量平面中任意方向應(yīng)力的同時，還能分析其應(yīng)力大小及方向。在此基礎(chǔ)上，研究人員還建立了一套監(jiān)測和警報系統(tǒng)，用以監(jiān)測頸椎和肩關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)運動。

如圖1所示，該傳感器以PET薄膜為柔性基底，上下分別有兩層柔性壓電復(fù)合材料。這種柔性壓電復(fù)合材料的核心傳感元件是具有蜂窩狀剪紙結(jié)構(gòu)的PZT陶瓷網(wǎng)絡(luò)，而 PDMS高彈體的填充使其具有很好的柔性，能夠很好地貼附在人體各關(guān)節(jié)表面。

圖1. A 基于剪紙結(jié)構(gòu)的柔性壓電傳感器示意圖。B 利用上下兩層傳感器信號區(qū)分頸椎運動。C 傳感器實物圖。D 傳感器能夠很好地貼附在人體各關(guān)節(jié)部位。

與現(xiàn)有的很多使用剪紙作為被動元件的技術(shù)不同，這里研究人員使用剪紙本身作為主動傳感的功能單元。如圖2所示，當(dāng)這種剪紙模板被拉伸后，便具有更好的取向性，這也導(dǎo)致了其壓電各向異性的產(chǎn)生。研究人員從模擬和實驗兩個方向都得出了同樣的結(jié)論，這種具有特殊剪紙結(jié)構(gòu)的柔性壓電符合材料具有高達17.3的壓電各向異性（如圖3所示）。也就是說，這種復(fù)合材料沿著兩個垂直方向彎曲時，其壓電輸出相差17.3倍。

圖2. A 柔性壓電復(fù)合材料的制備示意圖。B-D 不同預(yù)拉伸的壓電陶瓷骨架電鏡圖。E-H 陶瓷骨架能譜圖。I-J不同壓力下的電壓輸出。K 不同材料的楊氏模量對比。

圖3. A 彎曲模式下壓電輸出示意圖。B 仿真應(yīng)變分布圖。C 仿真各向異性。D 不同彎曲方向的電壓輸出信號。E 不同彎曲方向和彎曲幅度的電壓輸出。F 多種各向異性傳感器的對比。

研究人員進一步將具有兩層壓電復(fù)合材料的傳感器貼到人的手掌上，便可通過分析上下兩層傳感器的壓電輸出，解耦得到手掌的彎曲幅度和彎曲方向（如圖4所示）。另一方面，當(dāng)這種傳感器被貼到頸椎和肩關(guān)節(jié)上時，上下兩層傳感器傳出的不同信號也能被用來分析頸椎和肩關(guān)節(jié)的運動模式，比如判斷頸椎是左右扭動還是前后擺動（如圖5所示）。在此基礎(chǔ)上，研究人員建立了一套關(guān)節(jié)運動監(jiān)測和警報系統(tǒng)，在半個小時的監(jiān)測中，這套系統(tǒng)不光能判斷人體頸椎和肩關(guān)節(jié)的運動情況，而且還能根據(jù)不同情況對哪些部位缺乏運動進行警告，從而避免長時間久坐帶來的各種關(guān)鍵疾?。ㄈ鐖D6所示）。

圖4. A雙層傳感器示意圖。B 上層傳感器信號擬合。C 下層傳感器信號擬合。D-F 傳感器貼附手掌后對手掌的運動監(jiān)測。

圖 5. A 頸椎運動模式示意圖。B 肩關(guān)節(jié)運動模式示意圖。C-D 仿真應(yīng)變和電壓分布。E 不同頸椎運動對應(yīng)的傳感器信號。F 不同肩關(guān)節(jié)運動對應(yīng)的傳感器信號。

圖6. A 100 s 內(nèi)頸椎運動監(jiān)測。B 100 s 內(nèi)肩關(guān)節(jié)運動監(jiān)測。C-D頸椎和肩關(guān)節(jié)的運動監(jiān)測及報警系統(tǒng)。

如上所述，研究人員開發(fā)的這款新型柔性壓電傳感器具有許多優(yōu)點，包括較大的測量范圍、較高的壓電各向異性、多功能的測量能力和長期的監(jiān)測能力。這種設(shè)計各向異性剪紙結(jié)構(gòu)和制造多功能壓電陶瓷的理念為目前的可拉伸多功能壓電器件提供了新的解決方案。而這種制造具有高度各向異性的傳感器并用將這種傳感器應(yīng)用到關(guān)節(jié)運動監(jiān)測的策略，也將促進健康監(jiān)測設(shè)備中柔性電子器件的發(fā)展以及各種關(guān)節(jié)疾病的預(yù)防和康復(fù)。