随着生(shēng)活水平的提高，長期工(gōng)作帶來的關節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(gōng)作效率下(xià)降和罹患關節炎疾病風險增加等很多問題。而解決這個問題的一(yī)種方法就是開(kāi)發一(yī)種持續監測人體(tǐ)關節運動的檢測系統，用來預防這種關節疾病。目前很多研究中(zhōng)已經提出了各種各樣的可穿戴傳感器用來獲取人體(tǐ)關節的運動信号，但是這些傳感器大(dà)多數具有複雜(zá)且剛度極大(dà)的結構，而且不能全方位地記錄人體(tǐ)關節的運動信息，這些問題都限制了它們的實際應用。
近日，香港城市大(dà)學楊征保課題組的研究團隊提出了一(yī)種基于剪紙(zhǐ)結構的高度各向異性壓電(diàn)陶瓷複合材料，用以監測關節運動和預防關節疾病。相關研究成果以“Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders”爲題在國際期刊Science Advances上發表（DOI: 10.1126/sciadv.abf0795）。港城大(dà)在讀博士洪穎爲該論文第一(yī)作者，在讀博士王标爲該論文共同第一(yī)作者，楊征保博士爲論文通訊作者。
研究人員(yuán)發現，用這種基于剪紙(zhǐ)結構的壓電(diàn)陶瓷複合材料制成的傳感器能夠在監測關節運動的同時并且區分(fēn)不同的運動模式。研究人員(yuán)爲此提出了一(yī)種改進的溶膠-凝膠模闆法，用于制備這種柔性壓電(diàn)陶瓷複合材料，并在此基礎上設計了二維蜂窩狀壓電(diàn)陶瓷剪紙(zhǐ)作爲核心傳感器元件。這種獨特的剪紙(zhǐ)結構設計不僅能夠改善其壓電(diàn)性能，而且還提供了機械和壓電(diàn)的雙重各向異性。利用這種各向異性，研究人員(yuán)可以在測量平面中(zhōng)任意方向應力的同時，還能分(fēn)析其應力大(dà)小(xiǎo)及方向。在此基礎上，研究人員(yuán)還建立了一(yī)套監測和警報系統，用以監測頸椎和肩關節處的關節運動。
如圖1所示，該傳感器以PET薄膜爲柔性基底，上下(xià)分(fēn)别有兩層柔性壓電(diàn)複合材料。這種柔性壓電(diàn)複合材料的核心傳感元件是具有蜂窩狀剪紙(zhǐ)結構的PZT陶瓷網絡，而 PDMS高彈體(tǐ)的填充使其具有很好的柔性，能夠很好地貼附在人體(tǐ)各關節表面。
圖1. A 基于剪紙(zhǐ)結構的柔性壓電(diàn)傳感器示意圖。B 利用上下(xià)兩層傳感器信号區分(fēn)頸椎運動。C 傳感器實物(wù)圖。D 傳感器能夠很好地貼附在人體(tǐ)各關節部位。
與現有的很多使用剪紙(zhǐ)作爲被動元件的技術不同，這裏研究人員(yuán)使用剪紙(zhǐ)本身作爲主動傳感的功能單元。如圖2所示，當這種剪紙(zhǐ)模闆被拉伸後，便具有更好的取向性，這也導緻了其壓電(diàn)各向異性的産生(shēng)。研究人員(yuán)從模拟和實驗兩個方向都得出了同樣的結論，這種具有特殊剪紙(zhǐ)結構的柔性壓電(diàn)符合材料具有高達17.3的壓電(diàn)各向異性（如圖3所示）。也就是說，這種複合材料沿着兩個垂直方向彎曲時，其壓電(diàn)輸出相差17.3倍。
圖2. A 柔性壓電(diàn)複合材料的制備示意圖。B-D 不同預拉伸的壓電(diàn)陶瓷骨架電(diàn)鏡圖。E-H 陶瓷骨架能譜圖。I-J不同壓力下(xià)的電(diàn)壓輸出。K 不同材料的楊氏模量對比。
圖3. A 彎曲模式下(xià)壓電(diàn)輸出示意圖。B 仿真應變分(fēn)布圖。C 仿真各向異性。D 不同彎曲方向的電(diàn)壓輸出信号。E 不同彎曲方向和彎曲幅度的電(diàn)壓輸出。F 多種各向異性傳感器的對比。
研究人員(yuán)進一(yī)步将具有兩層壓電(diàn)複合材料的傳感器貼到人的手掌上，便可通過分(fēn)析上下(xià)兩層傳感器的壓電(diàn)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(yī)方面，當這種傳感器被貼到頸椎和肩關節上時，上下(xià)兩層傳感器傳出的不同信号也能被用來分(fēn)析頸椎和肩關節的運動模式，比如判斷頸椎是左右扭動還是前後擺動（如圖5所示）。在此基礎上，研究人員(yuán)建立了一(yī)套關節運動監測和警報系統，在半個小(xiǎo)時的監測中(zhōng)，這套系統不光能判斷人體(tǐ)頸椎和肩關節的運動情況，而且還能根據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鍵疾病（如圖6所示）。
圖4. A雙層傳感器示意圖。B 上層傳感器信号拟合。C 下(xià)層傳感器信号拟合。D-F 傳感器貼附手掌後對手掌的運動監測。
圖 5. A 頸椎運動模式示意圖。B 肩關節運動模式示意圖。C-D 仿真應變和電(diàn)壓分(fēn)布。E 不同頸椎運動對應的傳感器信号。F 不同肩關節運動對應的傳感器信号。
圖6. A 100 s 内頸椎運動監測。B 100 s 内肩關節運動監測。C-D頸椎和肩關節的運動監測及報警系統。
如上所述，研究人員(yuán)開(kāi)發的這款新型柔性壓電(diàn)傳感器具有許多優點，包括較大(dà)的測量範圍、較高的壓電(diàn)各向異性、多功能的測量能力和長期的監測能力。這種設計各向異性剪紙(zhǐ)結構和制造多功能壓電(diàn)陶瓷的理念爲目前的可拉伸多功能壓電(diàn)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将這種傳感器應用到關節運動監測的策略，也将促進健康監測設備中(zhōng)柔性電(diàn)子器件的發展以及各種關節疾病的預防和康複。
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