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一种新型柔性压电陶瓷剪纸，用于预防关节疾病

2021.3.17

　　香港城大杨征保Science子刊：

　　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。

关节类疾病

研之成理

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