香港城大杨征保课题组Science子刊：一种新型柔性压电陶瓷剪纸，用于预防关节疾病

研究背景

随着生活水平的提高，长期工作带来的关节类疾病近年来反而对年轻人造成了诸多困扰，这也造成了工作效率下降和罹患关节炎疾病风险增加等很多问题。而解决这个问题的一种方法就是开发一种持续监测人体关节运动的检测系统，用来预防这种关节疾病。目前很多研究中已经提出了各种各样的可穿戴传感器用来获取人体关节的运动信号，但是这些传感器大多数具有复杂且刚度极大的结构，而且不能全方位地记录人体关节的运动信息，这些问题都限制了它们的实际应用。

成果简介

近日，香港城市大学杨征保课题组的研究团队提出了一种基于剪纸结构的高度各向异性压电陶瓷复合材料，用以监测关节运动和预防关节疾病。相关研究成果以“Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders”为题在国际期刊Science Advances上发表（DOI: 10.1126/sciadv.abf0795）。港城大在读博士洪颖为该论文第一作者，在读博士王标为该论文共同第一作者，杨征保博士为论文通讯作者。

研究人员发现，用这种基于剪纸结构的压电陶瓷复合材料制成的传感器能够在监测关节运动的同时并且区分不同的运动模式。研究人员为此提出了一种改进的溶胶-凝胶模板法，用于制备这种柔性压电陶瓷复合材料，并在此基础上设计了二维蜂窝状压电陶瓷剪纸作为核心传感器元件。这种独特的剪纸结构设计不仅能够改善其压电性能，而且还提供了机械和压电的双重各向异性。利用这种各向异性，研究人员可以在测量平面中任意方向应力的同时，还能分析其应力大小及方向。在此基础上，研究人员还建立了一套监测和警报系统，用以监测颈椎和肩关节处的关节运动。

如图1所示，该传感器以PET薄膜为柔性基底，上下分别有两层柔性压电复合材料。这种柔性压电复合材料的核心传感元件是具有蜂窝状剪纸结构的PZT陶瓷网络，而 PDMS高弹体的填充使其具有很好的柔性，能够很好地贴附在人体各关节表面。

图1. A 基于剪纸结构的柔性压电传感器示意图。B 利用上下两层传感器信号区分颈椎运动。 C 传感器实物图。 D 传感器能够很好地贴附在人体各关节部位。

与现有的很多使用剪纸作为被动元件的技术不同，这里研究人员使用剪纸本身作为主动传感的功能单元。如图2所示，当这种剪纸模板被拉伸后，便具有更好的取向性，这也导致了其压电各向异性的产生。研究人员从模拟和实验两个方向都得出了同样的结论，这种具有特殊剪纸结构的柔性压电符合材料具有高达17.3的压电各向异性（如图3所示）。也就是说，这种复合材料沿着两个垂直方向弯曲时，其压电输出相差17.3倍。

图2. A 柔性压电复合材料的制备示意图。 B-D 不同预拉伸的压电陶瓷骨架电镜图。E-H 陶瓷骨架能谱图。I-J不同压力下的电压输出。K 不同材料的杨氏模量对比。

图3. A 弯曲模式下压电输出示意图。B 仿真应变分布图。C 仿真各向异性。D 不同弯曲方向的电压输出信号。 E 不同弯曲方向和弯曲幅度的电压输出。 F 多种各向异性传感器的对比。

研究人员进一步将具有两层压电复合材料的传感器贴到人的手掌上，便可通过分析上下两层传感器的压电输出，解耦得到手掌的弯曲幅度和弯曲方向（如图4所示）。另一方面，当这种传感器被贴到颈椎和肩关节上时，上下两层传感器传出的不同信号也能被用来分析颈椎和肩关节的运动模式，比如判断颈椎是左右扭动还是前后摆动（如图5所示）。在此基础上，研究人员建立了一套关节运动监测和警报系统，在半个小时的监测中，这套系统不光能判断人体颈椎和肩关节的运动情况，而且还能根据不同情况对哪些部位缺乏运动进行警告，从而避免长时间久坐带来的各种关键疾病（如图6所示）。

图4. A双层传感器示意图。 B 上层传感器信号拟合。 C 下层传感器信号拟合。 D-F 传感器贴附手掌后对手掌的运动监测。

图 5. A 颈椎运动模式示意图。 B 肩关节运动模式示意图。 C-D 仿真应变和电压分布。E 不同颈椎运动对应的传感器信号。 F 不同肩关节运动对应的传感器信号。

图6. A 100 s 内颈椎运动监测。 B 100 s 内肩关节运动监测。 C-D颈椎和肩关节的运动监测及报警系统。

如上所述，研究人员开发的这款新型柔性压电传感器具有许多优点，包括较大的测量范围、较高的压电各向异性、多功能的测量能力和长期的监测能力。这种设计各向异性剪纸结构和制造多功能压电陶瓷的理念为目前的可拉伸多功能压电器件提供了新的解决方案。而这种制造具有高度各向异性的传感器并用将这种传感器应用到关节运动监测的策略，也将促进健康监测设备中柔性电子器件的发展以及各种关节疾病的预防和康复。

该论文的其他作者有林伟康、金立涵、刘世源，合作者有港城大助理教授骆小伟，港大助理教授潘佳，港大教授王文平。本项目得到了香港大学教育资助委员会杰出青年学者计划（no. 21210619），国家自然科学基金（no. 11902282），和香港城市大学（no. 9610390）的支持。

课题组网站：https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/

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