【引言】

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(shì)識(shí)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供能電源。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(cè)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，但它們壓電性能差所制得的器件靈敏度低。目前關(guān)于彎曲檢測(cè)的報(bào)道多為定性測(cè)量，僅判斷是否存在彎曲，但對(duì)彎曲角度的定量檢測(cè)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(cè)量仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

【成果簡(jiǎn)介】

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，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(cè)量了其彎曲角度，并成功演示了PES在iHMI手勢(shì)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(shí)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。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及四川省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。

【圖文導(dǎo)讀】

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-d) 分別為傳感器結(jié)構(gòu)、NFs薄膜和單根NF的示意圖

(e) 彎曲模式下傳感器的照片

(f)  NF的SEM圖像

(g) 單根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的制備與表征

(a) PVDF/ZnO柔性傳感器制備過程

(b-e) 不同ZnO含量PVDF/ZnO復(fù)合材料的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. PES的不同模式下電性能測(cè)試

(a) 壓力模型下PES的測(cè)量示意圖

(b-c)不同壓力下PES的開路電壓和短路電流

(d) 不同作用力下單個(gè)周期開路電壓的放大圖

(e) 按壓模式中PES的響應(yīng)時(shí)間

(f) 器件在按壓模式中的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

(g)彎曲模型下PES測(cè)量的示意圖

(h-i)不同彎曲角度下PES的開路電壓和短路電流

(j) 不同角度下單個(gè)周期開路電壓的放大圖

(k) 彎曲模型中的PES的響應(yīng)時(shí)間

(l) 器件在彎曲模式中的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

圖4. PES在iHMI中的應(yīng)用

(a) PES檢測(cè)握力器握力的照片

(b) 不同握力下PES的短路電流輸出

(c) PES檢測(cè)書本開合狀態(tài)的照片

(d) 書本在不同開合狀態(tài)下PES的短路電流輸出

(e) 人機(jī)無(wú)線控制系統(tǒng)示意圖

(F) 基于PES的手勢(shì)遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用

【小結(jié)】

研究者通過電紡絲的方法成功地制備了豇豆結(jié)構(gòu)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(cè)的應(yīng)用。所制備的PES在不需要外部電源的情況下既可以在壓力模式也可以在彎曲模式下工作，并具有良好的柔韌性和高靈敏度。通過監(jiān)測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸，進(jìn)一步成功實(shí)現(xiàn)了從人類手指到機(jī)器人手掌自供電的實(shí)時(shí)手勢(shì)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(cè)量系統(tǒng)中，在iHMI的物理信號(hào)監(jiān)測(cè)、手勢(shì)傳感等應(yīng)用方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

來(lái)源：材料人