科学家研发罗谢尔盐新型复合材料，抗冲击的同时可侦测冲击力大小及范围，能用于制造智能传感防护装备
针对 1990 年至 2019 年累计 30 年间的中国老人跌倒现况，有国内科研团队曾做过一项调研，发现跌倒已成为 65 岁及以上人群意外伤害致死的主要原因。其中，33% 老年人每年至少跌倒一次。
而在最近，美国圣地亚哥州立大学助理教授和武汉大学教授团队以三维打印海螵蛸结构为启发，生长出一种可回收、可愈合的压电罗谢尔盐晶体（一种无毒无害的食用级别材料），借此打造出一种新型复合材料。
该材料具备良好的机械性能和电自传感功能，可以收集冲击力大小和冲击力分布的数据。使用这款材料可以造出防摔报警护膝，能对老人跌倒起到一定防护作用。
（来源：Nature Communications）
除用于制备防摔报警护膝之外，这种材料还能为体育、军事、航空航天、生物医学工程等领域制造新一代智能监测电子设备。
在体育领域，这种材料可以为足球运动员造出智能传感器盔甲和智能头盔，从而在接触式运动中监测冲击力的大小和分布；
在军事领域，这种材料可以为军事人员造出智能防护装备，以便实时地检测和报告受伤情况；
在航空航天领域，这种材料可以制造智能传感器，以便监测飞机和航天器的结构完整性；
在生物医学领域，这种材料可用于制造智能假肢，以用于监测施加在假肢上的力，从而做出相应的调整。
近年来，在针对可穿戴设备的研究之中，不少课题组集中于其中某一项特点进行研究，例如研究力学性能或是电学性能。
而该团队发现通过对复合材料进行性能优化，可以增强多功能可穿戴器件的性能，并能兼具机械保护和压电感应的特性。
墨鱼，是一种生活在深海的鱼类。研究人员发现墨鱼骨结构具有较强的抗压性能，因此决定将其用于此次材料的设计之中。
如前所述，在三维打印的墨鱼骨结构之中，他们生长出一种压电罗谢尔盐晶体，该晶体具备可回收、可愈合的特点。
但是，针对罗谢尔盐晶体的生长机制和压电性能，已有的研究资料偏少。为此，课题组投入大量时间研究它的生长条件、生长机制、晶体形态、压电性能等，并开展了多次实验。
每一次实验都充满着不确定性，温度、湿度等环境因素变幻莫测，生长条件的微小变化都可能对晶体形成造成显著影响。
经过数月之久的持续尝试，他们终于找到了相对稳定的生长条件。后来，他们发现晶体的生长极其敏感，微小的环境变化就足以引发质量和性能的波动，而且这种波动根本无法预测。
与此同时，优化压电性能则成为另一个棘手难题。在已有的文献之中，关于这方面的信息既零散又有限。
因此他们需要从零开始，深入了解晶体的电学性质，并通过一系列实验来验证假设。
对于可穿戴设备来说，罗谢尔盐晶体的压电性能至关重要。但是，如何在三维打印的墨鱼骨结构中实现最佳效果，却是一个极其复杂的工程难题。
而压电效应与摩擦之间微妙且复杂的区分，让本次研究变得更加曲折。特别是在晶体的微观层面，晶格结构的微小变化既可能由外界施加的压力引起，也可能是摩擦力导致的。
同时，课题组发现已有文献对于上述两者的区别描述得比较模糊，因此他们需要使用更加细致的方法来分析实验结果。
在优化压电性能的时候，他们还不得不面对压电效应与摩擦之间交织在一起的问题。
在晶体的实际应用中，由于外界力的作用，既会产生摩擦也会产生压电效应。要将这两者的影响分离并加以量化，必须采取巧妙的实验设计和精密测试手段。
为此，他们进行了一系列复杂的试验，通过改变施加力的方向、大小、以及环境温湿度等参数，探究晶体在不同条件之下的响应。
期间，不仅需要精密的仪器来测量微小的变化，还需要利用数据分析方法来剖析压电效应、以及摩擦带来的相对贡献。
就这样，他们在微弱信号的差异之中找到了正确的解释，并将罗谢尔盐晶体成功地生长在三维打印的墨鱼骨结构之中，借此造出了本次复合材料。
为验证这一材料的实际应用，研究团队将其用于足球运动员的智能传感器装甲和跌倒警报膝盖垫之中。
期间，他们进行了几百次测试，针对不同位置、不同受力大小进行定向分析。同时，他们重点关注了机械加固能力和电自感能力，以及对于冲击力大小和冲击力分布的数据收集能力。
最终，相关论文以《在三维打印仿生结构中生长可回收和可修复的压电复合材料，用于保护性可穿戴传感器》（）为题发在 Nature Communications[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
圣地亚哥州立大学及加州大学圣地亚哥分校联合培养博士生贺青晴，南加州大学博士生曾禹舜、四川大学材料科学与工程学院特聘副研究员为论文的共同第一作者。
图 | 从左到右：、贺青晴、、曾禹舜、（来源：资料图）
下一步，他们计划通过更加系统化的实验和模拟，进一步调整罗谢尔盐晶体的生长条件，从而提高它的压电性能。
并打算通过优化晶体的结构和晶向，进一步增强其对外界压力的敏感度，从而让这种材料更加具备可靠性和灵敏性。
另外，研究团队对于罗谢尔盐晶体的生长机制和电学性能依然存在一些疑问，所以会继续深入研究这一领域。并希望通过与其他领域的专家合作，开展更加细致的实验和建模，以便深入理解这一材料的行为，从而更好地优化材料性能。
参考资料：
1.He, Q., Zeng, Y., Jiang, L.et al. Growing recyclable and healable piezoelectric composites in 3D printed bioinspired structure for protective wearable sensor. Nat Commun 14, 6477 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41740-6