隨著(zhù)生活水平的提高，長(cháng)期工作帶來(lái)的關(guān)節類(lèi)疾病近年來(lái)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)節炎疾病風(fēng)險增加等很多問(wèn)題。而解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法就是開(kāi)發(fā)一種持續監測人體關(guān)節運動(dòng)的檢測系統，用來(lái)預防這種關(guān)節疾病。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(lái)獲取人體關(guān)節的運動(dòng)信號，但是這些傳感器大多數具有復雜且剛度極大的結構，而且不能全方位地記錄人體關(guān)節的運動(dòng)信息，這些問(wèn)題都限制了它們的實(shí)際應用。

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構的高度各向異性壓電陶瓷復合材料，用以監測關(guān)節運動(dòng)和預防關(guān)節疾病。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，用這種基于剪紙結構的壓電陶瓷復合材料制成的傳感器能夠在監測關(guān)節運動(dòng)的同時(shí)并且區分不同的運動(dòng)模式。研究人員為此提出了一種改進(jìn)的溶膠-凝膠模板法，用于制備這種柔性壓電陶瓷復合材料，并在此基礎上設計了二維蜂窩狀壓電陶瓷剪紙作為核心傳感器元件。這種獨特的剪紙結構設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力的同時(shí)，還能分析其應力大小及方向。在此基礎上，研究人員還建立了一套監測和警報系統，用以監測頸椎和肩關(guān)節處的關(guān)節運動(dòng)。

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合材料。這種柔性壓電復合材料的核心傳感元件是具有蜂窩狀剪紙結構的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)節表面。

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

與現有的很多使用剪紙作為被動(dòng)元件的技術(shù)不同，這里研究人員使用剪紙本身作為主動(dòng)傳感的功能單元。如圖2所示，當這種剪紙模板被拉伸后，便具有更好的取向性，這也導致了其壓電各向異性的產(chǎn)生。研究人員從模擬和實(shí)驗兩個(gè)方向都得出了同樣的結論，這種具有特殊剪紙結構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(shuō)，這種復合材料沿著(zhù)兩個(gè)垂直方向彎曲時(shí)，其壓電輸出相差17.3倍。

圖2. A 柔性壓電復合材料的制備示意圖。B-D 不同預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(jìn)一步將具有兩層壓電復合材料的傳感器貼到人的手掌上，便可通過(guò)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，當這種傳感器被貼到頸椎和肩關(guān)節上時(shí)，上下兩層傳感器傳出的不同信號也能被用來(lái)分析頸椎和肩關(guān)節的運動(dòng)模式，比如判斷頸椎是左右扭動(dòng)還是前后擺動(dòng)（如圖5所示）。在此基礎上，研究人員建立了一套關(guān)節運動(dòng)監測和警報系統，在半個(gè)小時(shí)的監測中，這套系統不光能判斷人體頸椎和肩關(guān)節的運動(dòng)情況，而且還能根據不同情況對哪些部位缺乏運動(dòng)進(jìn)行警告，從而避免長(cháng)時(shí)間久坐帶來(lái)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(dòng)監測。

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

圖6. A 100 s 內頸椎運動(dòng)監測。B 100 s 內肩關(guān)節運動(dòng)監測。C-D頸椎和肩關(guān)節的運動(dòng)監測及報警系統。

如上所述，研究人員開(kāi)發(fā)的這款新型柔性壓電傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，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(cháng)期的監測能力。這種設計各向異性剪紙結構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用到關(guān)節運動(dòng)監測的策略，也將促進(jìn)健康監測設備中柔性電子器件的發(fā)展以及各種關(guān)節疾病的預防和康復。