可长时间监测心率、呼吸和关节运动而无需担心电池问题的可穿戴医疗设备，能像人类皮肤一样感知外部刺激的电子皮肤，以及由柔性材料制成能自由移动的软体机器人，如今离现实更近了一步。韩国科学技术院(KAIST)研究人员开发出一种自供电传感器（无需电池即可自行发电的传感器），其可拉伸程度高达668%，同时能产生稳定的电信号。
KAIST于6月18日宣布，由机械工程系金美素(Miso Kim)教授领导的研究团队已克服了传统压电纤维传感器（将压力或运动转换为电信号的纤维型传感器）的耐用性限制，成功开发出一种高度可拉伸的压电纤维传感器，即使在反复变形下也能稳定运行。
该传感器的核心材料压电聚合物是一种在受机械力作用时能产生电能的聚合物材料。尽管其轻质灵活的特性使其适合用于可贴附皮肤的可穿戴传感器，但传统压电纤维传感器在反复拉伸或弯曲时会出现信号退化问题，因为收集电信号的电极层和产生电能的压电层会受损。此外，虽然将纤维卷绕可以增加拉伸性以允许更大的伸长，但保持电稳定性仍然是一个重大挑战。
为解决这些问题，研究团队开发了"分层弹性设计"策略，使传感器能够在多个层次上抵抗变形——从其组成材料和电极到整体结构。简单来说，就像橡皮筋在反复拉伸后能恢复原状一样，该传感器被设计成在循环变形后能自我维持其性能。
首先，研究团队在压电纳米纤维内部嵌入弹性聚合物微粒，以创建紧密互锁的结构。这产生了类似于魔术贴的支持效果，帮助传感器即使在反复拉伸后也能恢复原始形状。
此外，他们设计了接口，使收集电能的电极和产生电能的压电层能够无缝连接。通过将不同材料牢固地结合在一起，他们确保在冲击或变形下它们不易分层，使传感器在显著拉伸或弯曲时仍能保持稳定的电信号。
将此设计应用于线圈结构，研究团队成功将传感器拉伸至668%——约为原始长度的6.7倍——同时保持稳定的输出。该开发的传感器在各种运动（包括拉伸、弯曲和按压）下均产生一致的电信号。
此外，研究团队不仅将传感器制作成线圈形式，还制作成结状配置，确认其在重复受力或突然冲击下能稳定运行。通过利用人工智能(AI)分析传感器信号，他们还能够准确区分不同的运动，如按压、弯曲和拉伸。
这项研究意义重大，因为它展示了一个自供电传感器平台，同时实现了高拉伸性和长期稳定性，无需电池。特别是，由于它能在经历反复变形的环境中实现稳定信号测量，预计将在开发用于长期监测各种生物信号（包括心率、呼吸、关节运动和肌肉活动）的下一代可穿戴医疗设备方面得到应用。通过使设备更轻便、更便于使用，它还有望将其应用范围扩展到数字医疗设备、电子皮肤和软体机器人的感知传感器。
"这项研究的核心成就是通过结合纤维结构设计与电极界面工程（一种控制不同材料相遇边界的工程技术），同时确保了机械弹性和电气可靠性，"金美素教授表示。她补充道："未来，我们期望它能应用于需要长期佩戴的可穿戴医疗设备、电子皮肤和软体机器人的感知传感器，实现更准确、更连续的生物信号监测。"
该研究成果以崔雍俊(Yong Jun Choi)研究员为第一作者，于2026年3月10日发表在ACS Nano（影响因子16.1）上，这是一本在纳米技术和材料科学领域享有盛誉的国际学术期刊。
论文标题：用于可靠自供电传感的机械与功能弹性压电纤维线圈和结
DOI：doi/10.1021/acsnano.5c19628
作者信息：崔雍俊1（KAIST，第一作者）、朴正勋1（KAIST，合著者）、南智秀1（KAIST，合著者）、沈其东1（KAIST，合著者）、金明吉2（成均馆大学，合著者）、金美素（KAIST，通讯作者）
本研究获得了韩国国家研究基金会（隶属于科学信息通信技术部）资助的BRIDGE融合研发计划（RS-2023-00254689）、纳米材料技术开发计划（RS-2024-00468995）以及下一代半导体兼容微基板技术开发计划（RS-2024-00433654）的支持。
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