近年来，能够模拟人体皮肤多维感知功能的电子皮肤技术备受关注，其在健康监测、可穿戴电子设备及人机交互等领域展现出巨大潜力。然而，现有的压电传感器材料往往难以兼顾高性能与良好的机械柔韧性。例如，陶瓷材料刚性大，不适合柔性穿戴；而全有机复合材料虽柔韧性好，却常因有机掺杂剂介电常数低而导致极化效率受限，压电输出性能难以进一步提升。因此，开发一种同时具备高压电性能、机械柔顺性和长期稳定性的材料，是当前领域面临的关键挑战。
近日，上海交通大学张智涛副教授课题组提出了一种植酸辅助的分子工程策略，成功制备出高性能全有机压电复合材料。该研究开发的压电电子皮肤展现出高灵敏度、快速响应和卓越的稳定性，为实现实时的生理信号监测、精确的压力分布测绘以及智能人机交互提供了新的技术路径。相关论文以“High Sensitivity, All-Organic Piezoelectric Skin Enabled by a Phytic Acid-Assisted Molecular Engineering Strategy”为题，发表在ACS Nano上。
研究首先通过示意图（图1）展示了这款高性能压电皮肤的设计与应用前景。它可贴合于人体手部，集生理监测、压力测绘与无线控制功能于一体。其核心是PVDF-TrFE/PA复合材料，植酸分子与聚合物链间的强氢键作用促进了压电性能优异的β相结晶，同时磷酸基团的高介电常数提升了极化效率。实物照片显示了该皮肤出色的柔韧性、可拉伸性和佩戴舒适性，综合性能优于其他类型的压电材料。
图1： 高性能压电皮肤示意图。（a）压电皮肤贴附于人手用于监测、压力测绘和交互的示意图。（b）压电皮肤结构分解示意图。（c）PVDF-TrFE和PA分子的化学结构。（d, e）分子间相互作用及极化过程示意图。（f）展示压电皮肤柔韧性与可穿戴性的照片。（g）不同类型压电材料综合性能对比。
为了深入理解材料性能提升的机理，研究团队从分子层面进行了探究（图2）。分子动力学模拟表明，PVDF-TrFE中的氟原子与植酸中的羟基之间存在强烈的氢键相互作用，这为β相结晶提供了驱动力。随着植酸含量的增加（最高至6 wt%），复合材料的β相含量显著提升，晶体链排列也更加有序。然而，过量的植酸反而会破坏链的规整性。拉曼光谱成像进一步证实，掺杂植酸后，β相在空间中分布更均匀、含量更高，这得益于植酸分子通过氢键诱导并稳定了β相构象。
图2： PVDF-TrFE/PA复合薄膜的结晶特性。（a, b）PVDF-TrFE与PA聚合物界面模型分子动力学模拟的初始（0 ps）与最终（1000 ps）快照。（c）PVDF-TrFE中F原子与PA中-OH基团之间（蓝色），以及PA中O原子与PVDF-TrFE中C-H基团之间（红色）的径向分布函数。（d）PVDF-TrFE与PA体系在1000 ps动力学时间内相互作用能的演化。（e）未掺杂PVDF-TrFE薄膜及不同PA质量分数PVDF-TrFE/PA复合薄膜的XRD谱图。（f）不同PA含量下的β相含量。（g）未掺杂PVDF-TrFE薄膜与含6 wt% PA的PVDF-TrFE/PA复合薄膜的拉曼光谱。（h, i）（h）未掺杂PVDF-TrFE薄膜和（i）PVDF-TrFE/PA复合薄膜中构象链分布的拉曼成像图（扫描面积：100 μm²）。
优异的结晶特性直接转化为了卓越的压电性能（图3）。电滞回线测试显示，含6 wt%植酸的复合材料具有最高的剩余极化强度，同时矫顽场降低，表明其极化效率更高。该复合材料的压电电荷系数和电压系数分别达到87 pC N⁻¹和614 mV m N⁻¹，远超纯聚合物及多数已报道的压电材料。基于此材料制成的传感器灵敏度高达35 mV kPa⁻¹，响应时间约70毫秒，并且在超过8000次的循环测试中表现出出色的耐久性，β相含量保持稳定。
图3： PVDF-TrFE/PA复合薄膜的压电性能。（a）不同PA质量分数的PVDF-TrFE/PA薄膜的极化电滞回线。（b）不同PVDF-TrFE/PA薄膜在40至100 MV m⁻¹极化电场下的剩余极化值。（c）不同PA质量分数的PVDF-TrFE/PA薄膜的d₃₃和g₃₃值。（d）本工作中PVDF-TrFE/PA薄膜的d₃₃和g₃₃值与其它已报道压电复合材料的对比。（e）不同应力下的压电输出电压。（f）输出电压对压力（24至160 kPa）的依赖性。（g）在0.3 Hz压力频率下的压力响应时间。（h）PVDF-TrFE/PA薄膜超过8000次循环的耐久性测试。
在实际应用演示中（图4），这款压电皮肤成功实现了对人体多种生理信号的实时监测。无论是肘部、指关节还是膝部的弯曲角度变化，传感器都能产生与弯曲角度正相关的电压信号。它甚至能灵敏地捕捉到微弱的动脉脉搏波形，并清晰分辨出慢走与快跑等不同频率的运动状态。
图4： 用于实时监测多种生理信号的压电皮肤。（a）肘部弯曲。（b）指关节弯曲。（c）动脉脉搏。（d）膝部弯曲。（e）行走与跑步。
研究团队进一步开发了具备空间分辨能力的压电传感器阵列（图5），用于压力分布测绘和触觉识别。通过引入银纳米线屏蔽层，有效抑制了电极间的信号串扰，使相邻通道在间距超过2毫米时串扰几乎可忽略。该阵列能清晰区分并定位多个同时施加的压力点，并能精确追踪手指在表面书写字母“N”的滑动轨迹，展现了其在实时触觉传感系统中的潜力。
图5： 用于压力测绘与触觉识别的压电皮肤。（a）压电传感器阵列结构示意图。（b, c）（b）无和（c）有AgNW屏蔽层时触控引起的串扰信号对比分析。屏蔽层的存在有效抑制了串扰电荷。（d）不同电极间距（d）下两个相邻传感节点的输出电压信号，d=0 mm为参考电压信号。（e）压电皮肤传感系统抗干扰指数随电极间距变化的统计图，说明了各间距下的抗干扰能力。指数计算公式为(V₀ - V)/V₀，其中V和V₀分别表示有干扰和无干扰时各通道测得的电压。（f）无串扰时压电皮肤各通道的独立电压响应曲线。（g）压电皮肤贴附于手部、手指按压中心区域的照片。（h）与（g）对应的信号分布图。（i）压电皮肤贴附于手部、两个手指同时按压不同区域的照片。（j）与（i）对应的信号分布图。（k）滑动模式示意图及（l）手指在压电皮肤表面书写字母“N”轨迹时，沿轨迹各像素点的输出电压。
最后，研究构建了一个系统级的人机交互界面（图6）。他们将压电传感器阵列与信号处理、蓝牙传输模块集成，制作成可穿戴的智能键盘。用户可通过按压皮肤上的不同“按键”实现无线拨打电话或控制迷宫游戏角色的移动，生动展示了其在下一代智能交互设备中的应用前景。
图6： 用于人机交互界面的压电皮肤。（a）压电皮肤实现人机界面控制过程的示意图。（b）佩戴于人手、作为智能键盘功能的压电皮肤照片。（c）像素按压识别算法流程图。（d）拨号按键的记录响应，显示超过电信号阈值后成功激活。（e-g）贴附于手部的压电皮肤作为智能键盘实现无线拨号。（h）通过压电皮肤控制游戏界面。触发不同通道以指令（I）上、（II）下、（III）右和（IV）左移动的照片及其相应的电信号响应。（i）游戏控制界面的演示。
综上所述，该研究通过创新的分子工程策略，成功研制出兼具高压电性能、优异柔韧性和长期稳定性的全有机压电复合材料，并以此为基础开发了多功能的高性能压电电子皮肤。这项工作不仅为健康监测、机器人技术和人机交互领域提供了性能出色的新型感知器件，也为开发高性能柔性压电材料与设备开辟了新的途径。
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