DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104706

基于压电材料的可穿戴电子设备在疾病预测、诊断和康复等人体生理监测方面具有潜在的应用前景。然而，要同时实现良好的兼容性和对复杂微妙生理信号的精确监测，是一个巨大的挑战。本文通过在电纺PVDF纳米纤维表面外延生长ZnO纳米棒（NRs），制备了一种基于PVDF/ZnO纳米纤维的三维分层互锁压电传感器，这使基于纤维的生理监测电子设备（PME）具有良好的柔性和高度透气性。由于有效变形的互锁ZnO纳米棒与具有高电活性相的均匀取向PVDF纳米纤维的协同压电效应，在压制和弯曲模式下，PME的灵敏度分别比纯PVDF纳米纤维提高了6倍和41倍。在此基础上，设计的PME能够准确检测呼吸、脉搏和肌肉行为等复杂微妙的生理信号。此外，研究者成功开发了基于PME阵列的灵敏步态识别系统。因此，这种基于纤维的装置提供了一种监测人体细微生理信号的替代策略，在医疗保健和临床诊断领域具有广阔的应用前景。

图1.基于PVDF/ZnO纤维的三维分层互锁PME用于监测肌肉行为的示意图。 （a）PME共形粘附在小腿肌肉上以监测变形。（b）核-壳PVDF/ZnO纳米纤维的制备过程。

图2.核-壳PVDF/ZnO纳米纤维的微观结构和工作原理。（a）高取向PVDF/ZnO纳米纤维膜的SEM图像。PVDF/ZnO纳米纤维的横截面SEM图像（b）和EDS映射（c）。（d）PVDF/ZnO纳米纤维膜的透气性测试。（e）高柔性PVDF/ZnO纳米纤维薄膜的照片。PVDF和PVDF/ZnO纤维的XRD图（f）和FTIR光谱（g）。（h）在弯曲ZnO纳米棒上产生压电势的示意图。

图3.压制模式下核壳PVDF/ZnO纤维的电学和力学表征。（a）压力范围为1.8至451 kPa时装置开路电压的依赖性。（b）PME装置的线性度。（c）装置在451 kPa压力下的响应时间。（d）在不同压力下的开路电压的放大图。（e）为确认装置的机械稳定性而进行的耐久性试验的结果。

图4.弯曲模式下核壳PVDF/ZnO纤维的电学和力学表征。（a）弯曲过程中机械变形耦合分析模型的示意图。（b）具有从0.0242 mm-1到0.2962 mm-1的不同曲率（ω）的装置开路电压的依赖性。（c）在0.2962 mm-1曲率下的开路电压的放大图。（d）装置在0.2962 mm-1曲率下的响应时间。（e）在正向和反向连接模式下的开路电压。（f）为确认装置的机械稳定性而进行的耐久性试验的结果。

图5.柔性设备在人体生理监测中的应用。（a）装配在胸部、腕部和三块小腿肌肉上的压力传感器的示意图。（b）不同呼吸方式的电输出。（c）健康人的手腕脉搏的实时信号。（d）包含三个波峰的扩展脉搏波，即P波、T波、D波。（e）步态识别系统的示意图。（f）ANT TIB、GAST和SOLE的信号，分别检测向前、向左和向右行走的步态。（g）向左行走时左腿有多重信号。（h）在不同步行方向的小腿反应幅度（右腿）与其他小腿反应幅度（左腿）的比值。