受基于PZT的可伸缩传感器许可大变形的启示，来自北京科技大学的王宁教授、曹霞博士以及王中林院士团队先容了一种基于PZT-SEBS复合弹性体的生物相容性压电电子皮肤。高弹性(弹性约为950%)的PENG不仅能从周围环境中获取机器能，而且对多种外界刺激表现出低毒性和精良的传感性能。对运动捕捉、温度、语音识别的同步和独立感知性能（尤其是二维力感知）大大促进了其在生理、声音规复和其他智能系统中的广泛运用。干系事情以题为“Piezoelectric Nanogenerator for Highly Sensitive and Synchronous Multi-Stimuli Sensing”的研究性文章在《ACS NANO》上揭橥。
PENG的事情事理和电气性能
图1a显示了PENG的事情事理。在目前的柔性设计中，PZT是作为压电材料引入的。当施加外力时，正负电荷对称性的变革导致随后的电子流经外部电路。换句话说，输出的电旗子暗记是外界刺激在PENG上的反射，这构成了PENG传感器的根本。复合PENG可以很随意马虎地波折成任何角度，并且可以拉伸到其原始长度的950%(图1c)。还表现出良好的弹性，当外部压力解除时，PENG险些同时规复到原来的形状。 图1d-f分别显示了相应频率和压力下的短路电流(Isc)、开路电压(Voc)和电荷转移，其最大输出电流为8.73μA，对应的电流密度为9.70 mA·m−2，开路电压也达到100V旁边。图2a、b是在不同频率(1Hz、2Hz、4Hz、5Hz)下测得的PENG(20wt%PZT)的ISC和VOC，ISC与频率的增加成正比，如图2a所示，而VOC基本保持不变。图2c，d是具有不同PZT含量的PENG的输出性能。在4 Hz的固定频率下，Isc和VOC都在PZT的20wt%旁边增加到峰值，然后低落(图2c，d)。当PZT含量大于20wt%时，由于压电颗粒之间的相互屏蔽，当PZT颗粒的偶极在实际状态下不同方向重排时，会涌现退化征象。终极的电学性能是所有压电粒子的总和。
图1.PENG的事情事理示意图。
图2.PENG(20wt%PZT)在不同频率下的ISC和VOC。
本文设计的传感器的测试
模拟人类皮肤的综合能力吸引了人们对人机交互系统的极大兴趣，例如语音安全、无人机和机器人的掌握以及人工智能(AI)(图3a)。为此，本文测试了PENG对不同外界刺激(如机器力、声波、温度传感、人体运动)的传感性能，如图3a所示。图3b显示了PENG对一滴水(约30μL)的电压相应。当一滴水(约30μL，0.03g)落在PENG上时得到了26.58V的实时电压相应。图3c显示了在较宽的线性范围内(0.0025N cm−2至0.25N cm−2)对静力的灵敏电流相应(2.4 mA N cm−2)，而对压力的电压相应基本保持不变(约25 V)。图3d显示了PENG的ISC对不同静压刺激的相应变革，以及用COMSOL有限元方法仿照了PENG基本单元在不同静压下的电位分布。从图3d可以看出，仿照结果与实验数据吻合较好。
图3. 本文设计的传感器和丈量系统的示意图。
PENG与人体皮肤结合采集旗子暗记的过程
静态力和动态力的同步检测对付运动捕获和识别具有主要意义。图4a显示了瞬时动态力(F)和静态力(P)相应，根据电压旗子暗记的双模特性可以很随意马虎地区分这两种相应。该相应还可用于同时检测气流和声学刺激，如图4b，c所示。这些旗子暗记易于识别，从而有助于在行为识别中的运用。图4d-f显示了PENG在波折(2V)、伸展(1V)、拍手(6V)平分歧手腕动作时的特色反应。脚踝动作，如踏步、跳跃和蹲下在本文中也进行了测试。不同的脚部运动可以得到明显不同的旗子暗记图像(图4f)。
图4.PENG与人体皮肤结合采集旗子暗记的过程。
基于PENG开拓的语音传感器系统
为了进一步探索声学感知性能，本文准备了贴片式皮肤语音传感器，用于语音安全授权(图5a)。图5a1是利用PENG的授权过程的照片。通过该装置，可以通过数据拟合(图5a4)提取波形特色以进行生物特色识别。图5f所示的20000次循环声学测试显示了其具有良好的稳定性。随着声刺激音量(20−100dB)的增大和减小，PENG呈现出显著的分级规律性。因此，PENG具有良好的仿生识别灵敏度和可靠性，可以开拓为自励式声学传感器。
图5.基于PENG开拓的语音传感器系统的示意图。
小结：PZT-SEBS PENG的具有可伸缩、生物相容性和通用性，可以在不同的拉伸条件下对压力、声音、温度和气流等外部刺激做出同步和独立的相应。再加上对实际技能运用至关主要的制造效率、卓越的功率可持续性、低毒、机器耐用性，进一步推动了其在长期、高精度和可靠的皮肤上人体运动监测、语音和手势识别方面的广泛运用。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07236
