西南交大杨维清Nano Energy：一种独特千层饼结构的面向个性化体育训练的柔性压电复合传感器

【引言】

利用智能传感器收集和分析运动数据进而指导运动员训练在现代体育竞技中发挥着越来越重要的作用。在球类运动中，如何通过实时监测不同物体间的相互作用，进而反馈运动员姿态与球体运动轨迹的相互关系，对于指导运动员训练显得尤为重要。然而，现行的视觉监测系统如羽毛球运动中的鹰眼或足球比赛中的视频助理裁判只能反映某几个角度中物体的运动轨迹或运动员的姿态，并且很难反映运动员和客体之间的相互作用力。如果在类似乒乓球这种球与球拍高频相互作用的运动中实现该功能，视觉监测系统则需要大量的监测设备和快速的数据处理，导致难以实现全方位实时监测。因此，如何实现这种不同物体间相互作用的快速准确测量对智能运动的发展尤为重要。

【成果简介】

近日，西南交通大学的杨维清教授团队通过非溶剂诱导相分离联合高压结晶的两步法制备了一种独特的富含片晶结构的类千层饼状柔性PZT/PVDF压电复合传感器，并成功演示了其在指导个性化乒乓球训练中的应用。利用该独特结构所具有的层间电势累积效应和快速的应力释放，该传感器表现出了优异的灵敏度 (6.38 mV/N)，超快的响应时间 (21 ms)，且具有较好的机械稳定性。在此基础上，将其集成在乒乓球拍上，可以准确检测击球的位点和作用力，进而反馈运动员的状态并为个性化训练提供指导，展现了巨大的应用前景。相关成果以“Rich Lamellar Crystal Baklava-structured PZT/PVDF Piezoelectric Sensor Toward Individual Table Tennis Training” 发表于Nano Energy期刊上，硕士研究生田果为第一作者，青年教师邓维礼和杨维清教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅国际合作项目以及中央高校基础研究经费等项目的支持。

【图文导读】

图1. 智能训练系统示意图

(a) 应用于乒乓球训练监测的智能球拍示意图；(b) 传感器结构示意图；(c) 自制热压加工装置示意图及智能球拍实物图；(d)智能球拍的应用场景。

图2. 压电复合材料的结构设计和表征

(a) 压电活性β相PVDF的分子结构；(b)压电β相片晶的制备思路；(c) 样品表面的形貌结构，插图为SAXS表征；(d) 压电复合材料的截面形貌；(e) 复合片晶结构的透射表征；(f, g)不同PZT掺杂量下的XRD和FTIR表征。

图3. 器件的力电性能测试

(a) 压电电荷分布示意图；(b, c) 不同掺杂量的压电复合材料在不同压力下的开路电压和短路电流；(d, f) 确定压力下不同掺杂量的器件的长周期和两个周期内的信号；(e) PZT: PVDF质量比为1:10时不同压力下的电压输出。

图4. 智能球拍的应用

(a-c) 球在球拍上移动一定路径时的示意图以及电信号响应；(d) 在球拍上作用不同力监测到的电压信号；(e) 压力传感器的灵敏度测试；(f) 器件的响应时间测试；(g) 无线监测系统示意图；(h) 无线监测系统用于确定击球位点实物图；(i) 传感器在球拍上分布的示意图；(j) 20000次击球下的位点统计分布；(k) 部分击打的电信号及拟合力大小。

【小结】

研究者通过溶剂诱导相分离结合热压的两步法构建了具有独特千层饼结构的PZT/PVDF压电复合膜，并展示了其在指导个性化乒乓球训练中的应用。所制备的传感器可以实时监测到乒乓球的击打位点和作用力，从而可以科学的分析运动员的训练状态并制定切身的训练计划。这项工作在传统视觉监测系统之外为智能运动提供了一种全新的监测方式，同时也为智能电子设备的应用开拓了一个新的视角。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.013

本文由西南交通大学的杨维清教授团队供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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