世界正迅速走向先进技术和自动化的时代。这包括更先进的传感器和机器人的开发。然而，目前的选项成本高且灵敏度不高。在最近的一项研究中，日本的研究人员通过使用电纺聚偏氟乙烯纳米纤维与多巴胺结合，创造了一种新型的压电复合材料，解决了这些问题。由这种材料制作的传感器在性能和稳定性上都显著提高，同时成本低廉。这有望推动医学、医疗保健和机器人技术的发展。包括人工智能和机器人技术在内的技术进步正在改变我们的生活和工作方式。往往被忽视的是，传感器在连接人类、机器和环境之间发挥着至关重要的作用。
随着敏捷机器人和可穿戴电子设备的兴起，传统的硅基传感器已无法满足许多应用的需求。因此，开发提供更好舒适性和多功能性的柔性传感器的关注度正在增加。压电传感器在这一领域尤为重要，因为它们能够将机械压力和运动转化为电信号。将机械能转化为电信号是一项具有挑战性的任务。尽管有许多有前景的方法，但仍然需要可持续的方式以低成本大规模生产柔性高性能压电传感器。
为了解决这个问题，来自日本信州大学的研究团队决定利用电纺丝这一成熟的制造技术来增强柔性压电传感器的设计。他们的最新研究由杰出教授金益洙及其团队主导，于2024年5月2日在《自然通讯》杂志上发表。该研究中提出的新传感器设计涉及通过逐步电纺过程来创建复合2D纳米纤维膜。最初，直径约200纳米的聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维被纺制成一个强韧且均匀的网络，作为压电传感器的基础。随后，更细的、直径小于35纳米的PVDF纳米纤维喷射到现有网络上，自动交织在空隙中，以创建独特的2D结构。研究人员通过实验、模拟和理论分析对该设计进行了全面表征。研究人员发现，复合PVDF网络具有改善的β晶体取向，增强了负责PVDF材料压电效应的极性相。这一增强显著提高了传感器的压电性能。为了进一步提高材料的稳定性，研究人员在电纺过程中添加了多巴胺（DA），形成了保护性的核壳结构。
“由PVDF/DA复合膜制作的传感器表现出优异的性能，响应范围广泛为1.5-40 N，对微弱力的高灵敏度为7.29 V/N。这些传感器的一个突出特点是其高灵敏度、可靠性能和持久耐用性，”金教授评论道。这些卓越特性在使用可穿戴传感器测量各种人类运动和活动的实际实验中得到了证实。具体而言，所提出的传感器能够在人类佩戴时对自然运动和生理信号产生明显的电压响应。这包括捏指、膝盖和肘部弯曲、脚踩、说话和手腕脉搏等活动。
考虑到这些压电传感器的低成本大规模生产的潜力，以及它们使用环保有机材料而不是有害无机物质，它们具有巨大的前景。这项研究可能对健康监测和诊断以及机器人技术等领域产生重大技术影响。金教授思考道：“尽管目前面临挑战，类人机器人将在不久的将来扮演越来越重要的角色。例如，知名的特斯拉机器人‘Optimus’已经能够模仿人类动作并像人类一样行走。”金教授继续表示：“考虑到先进传感器目前正被用于监测机器人运动，我们提出的基于纳米纤维的优越压电传感器不仅有潜力用于监测人类运动，也可以用于类人机器人领域。”
为了促进这些传感器的采用，团队正在优先增强材料的电输出特性。这将允许柔性电子组件在不依赖外部电源的情况下运行。在这一领域的进展有潜力加速我们迈向智能科技时代的步伐，最终实现更方便和可持续的生活方式。
