韩梦迪Nature Electronics: 多功能三维压电微系统

【简介】近日，2017届Alice Wonderlab 优秀毕业生韩梦迪博士双喜临门：一周前其博士论文《三维复合能量采集原理及其在自驱动传感系统中的应用研究》入选中国硅酸盐学会优秀博士论文，刚刚他又在《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志上发表了封面论文：“Three-dimensionalpiezoelectric polymer microsystems for vibrational energy harvesting, roboticinterfaces and biomedical implants”。文章采用可控力学屈曲的方法，将二维压电薄膜转组装为三维压电微系统，并展示了三维压电微系统在传感、能量采集等领域的应用。

【前言】

基于压电材料的微系统可应用于多功能传感、执行器与微型机器人、能量采集、超声成像等诸多方向。近年来，越来越多的压电器件被应用于自驱动系统和可穿戴器件领域。目前的压电微系统通常采用二维平面结构，在力学性能方面受到了限制。例如，基于二维悬臂梁的压电式能量采集器一般具有较高的谐振频率和较窄的工作频带，不利于收集生物体产生的低频、随机的机械能。将压电微系统扩展至三维，并配合极低刚度或非对称的结构设计，可以进一步扩展压电微系统的应用范围，有望在能量采集，机器人接口、植入式器件等方面发挥作用。                                             

【图文导读】

图1. 三维压电结构及器件。a, 典型三维压电器件的示意图与SEM照片；b, 多种不同的三维压电结构；c, 极低刚度三维压电结构的加工流程；d, 极低刚度三维压电结构的有限元模拟结果；e, 极低刚度三维压电结构的SEM照片。比例尺：500微米。

图2. 三维压电式能量采集器。a-d, 基于三维蛇形线阵列的能量采集器：(a) 不同频率面外振动下器件的输出电压方均根值，(b) 不同频率面内振动下器件的输出电压方均根值，(c) 谐振频率下器件的时域输出曲线及傅里叶分析结果，(d) 器件在扬声器激励下的输出功率谱，I、II、III分别代表将扬声器置于器件旁激发面内位移、逐渐转动扬声器、以及将扬声器置于器件上方激发面外位移的情况；e-h, 基于双稳态三维蛇形线的能量采集器：(e) 不同频率振动下器件的输出电压方均根值，(f) 器件在不同加速度下的输出电压时域曲线，(g) 器件在不同加速度下的输出电压时域曲线及傅里叶分析结果，(h) 器件在受到外界振动激励时的时频谱；i, 不同加速度下器件输出电压随频率变化的有限元分析结果；j, 平面蛇形线与三维蛇形线输出性能的有限元分析结果；k, 归一化位移随归一化力的变化关系；l, 谐振频率随蛇形线几何/材料参数的变化关系。

图3. 基于非对称结构的压电能量采集器和传感器。a, 器件的二维图形及三维结构示意图；b, 器件的光学照片；c, 器件在受到大面积压力和小面积压力时的示意图；d, 器件在不同压力下的输出电压时域曲线；e, 器件输出电压方均根值与外力的关系曲线；f, 器件受到不同位置的压力时的示意图及输出电压时域曲线；g, 器件受到拉伸时的示意图；h, 器件与皮肤集成用于收集皮肤收缩与舒张时的机械能；i, 器件输出电压方均根值与拉伸应变的关系曲线；j, 器件受到不同方向的拉伸时的示意图及输出电压时域曲线；k, 器件受到弯曲时的示意图；l, 器件输出电压方均根值与弯曲曲率变化的关系曲线；m, 器件受到不同方向的弯曲时的示意图及输出电压时域曲线。

图4. 可植入的三维压电微系统。a, 三维压电器件植入位置示意图；b, 器件及植入位置的光学照片；c, PVDF及parylene-C的细胞毒性测试结果荧光照片，绿色代表活细胞，红色代表死细胞；d, PVDF及parylene-C的F-肌动蛋白染色荧光照片；e, PVDF及parylene-C细胞活力的归一化结果；f, 小鼠麻醉状态下三维压电器件的输出电压时域曲线；g, 小鼠开始恢复但无明显运动状态下三维压电器件的输出电压时域曲线；h, 小鼠在跑动状态下三维压电器件的输出电压时域曲线；i, 小鼠在攀爬状态下三维压电器件的输出电压时域曲线；j, 小鼠在不同运动状态下二维与三维压电器件输出电压方均根值的对比结果；h, 小鼠在封闭空间自由运动时三维压电器件的输出电压时域曲线。

【论文作者信息】：

美国西北大学博士后韩梦迪、王禾翎为论文共同第一作者，西北大学https://www.nature.com/articles/s41928-018-0189-7

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在此新春佳节到来之际，热烈祝贺韩梦迪博士，祝愿大家在新的一年里家庭事业两不误：喜事连连、成果多多！