盖世汽车讯 无需担心电池续航即可长时间监测心率、呼吸和关节运动的可穿戴医疗设备、能够像人体皮肤一样感知外界刺激的电子皮肤，以及由柔性材料制成、可自由运动的软体机器人，如今都离现实更近了一步。

据外媒报道，韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，简称KAIST）的研究人员开发出一种自供能传感器（无需电池即可自主发电的传感器），其拉伸率最高可达668%，同时仍能保持稳定的电信号输出。

由KAIST机械工程系Miso Kim教授领衔的研究团队，突破了传统压电纤维传感器（即将压力或运动转换为电信号的纤维型传感器）在耐久性方面的局限，成功开发出一种高延展性压电纤维传感器，即使在反复形变条件下也能稳定运行。

该研究成果以Yong Jun Choi为第一作者，发表于期刊《ACS Nano》。

自供能压电纤维线圈与绳结传感器的结构及工作原理；图片来源：韩国科学技术院

传感器的核心材料——压电聚合物（piezoelectric polymer）——是一种在受到机械力作用时能够产生电能的高分子材料。由于其轻量化和柔韧性特性，非常适合用于贴附皮肤的可穿戴传感器。然而，传统压电纤维传感器在反复拉伸或弯曲过程中，负责收集电信号的电极层以及负责发电的压电层容易受损，导致信号衰减。

此外，虽然通过将纤维盘绕（coiling）可以提高其延展性，使其能够承受更大拉伸幅度，但如何保持电学稳定性始终是一项重大挑战。

分层韧性设计（Hierarchical Resilient Design）

为了解决这些问题，研究团队提出了一种名为“分层韧性设计”的策略，从材料本身、电极界面到整体结构多个层级进行系统性工程设计，使传感器能够在不同尺度上抵抗形变。简单来说，就像橡皮筋经过反复拉伸后仍能恢复原状一样，该传感器也被设计成能够在循环形变后维持其性能。

首先，研究团队在压电纳米纤维内部嵌入了弹性聚合物微粒（elastic polymer microparticles），形成了一种高度互锁（interlocking）的结构。这种结构类似魔术贴（Velcro）的支撑机制，使传感器即使经过多次拉伸，也能恢复到原始形态。

此外，他们还优化了界面设计，使负责收集电信号的电极层与负责发电的压电层能够实现无缝连接。通过增强不同材料之间的结合强度，研究团队有效避免了在冲击或形变过程中发生分层（delamination），从而确保传感器即使在大幅拉伸或弯曲条件下，仍能保持稳定输出。

实现668%超高拉伸率

在将该设计应用于线圈（coil）结构后，研究团队成功将传感器拉伸至668%，约为其原始长度的6.7倍，同时依然维持稳定输出。该传感器在拉伸、弯曲和按压等多种运动状态下，均能持续产生稳定一致的电信号。

此外，研究团队不仅将传感器制成螺旋结构，还制备成绳结（knot）结构，并验证其在反复受力及突发冲击条件下的稳定运行能力。借助人工智能（AI）对传感信号进行分析，研究人员还能够准确区分按压、弯曲和拉伸等不同动作模式。

面向下一代可穿戴医疗与电子皮肤

这项研究的重要意义在于：它提出了一个无需电池、同时兼具高延展性和长期稳定性的自供能传感器平台。尤其是在需要反复形变的环境中，该传感器依然能够稳定采集信号，因此有望用于开发下一代可穿戴医疗设备，实现对心率、呼吸、关节运动和肌肉活动等多种生物信号的长期监测。

此外，由于其能够使设备更轻量化、更便于佩戴和使用，其应用范围还有望扩展至数字健康设备（digital health care devices）、电子皮肤（electronic skins）以及软体机器人感知传感器（sensory sensors for soft robots）。

Miso Kim教授表示：“这项研究的核心突破在于，通过将纤维结构设计与电极界面工程（即控制不同材料交界面的技术）相结合，我们同时实现了机械韧性（mechanical resilience）和电学可靠性（electrical reliability）。”

她补充道：“未来，我们预计该技术将应用于需要长期佩戴的可穿戴医疗设备、电子皮肤以及软体机器人感知传感器，从而实现更加精准、连续的生物信号监测。”