一个国际研究小组通过将压电复合材料与单向碳纤维(UDCF)相结合，设计出了一种新型高强度柔性装置，单向碳纤维是一种仅在纤维方向上提供强度的各向异性材料。新设备将人体运动的动能转化为电能，为高强度自供电传感器提供了高效可靠的手段。

该小组研究的详细信息于 2023 年 12 月 14 日发表在《 Small》 杂志上。

运动词汇涉及将人体运动的能量转换为可测量的电信号，这对于确保可持续的未来至关重要。

该研究的合著者成田文雄表示：“从防护装备到运动器材，日常用品都作为物联网 (IoT) 的一部分连接到互联网，其中许多都配备了收集数据的传感器。”东北大学环境研究科教授。“将这些物联网设备有效集成到个人装备中需要电源管理和材料设计方面的创新解决方案，以确保耐用性和灵活性。”

由于压电材料在受到物理压力时能够发电，因此可以利用机械能。同时，碳纤维因其耐用性和轻便性而适用于航空航天和汽车工业、运动器材和医疗设备。

“我们想知道，使用碳纤维和压电复合材料组合制成的柔性个人防护设备是否可以提供舒适性、更耐用和传感功能，”成田说。

该小组使用单向碳纤维织物(UDCF)和铌酸钾钠(KNN)纳米粒子与环氧树脂(EP)混合的组合制造了该装置。UDCF 既充当电极又充当定向强化物。

所谓的 UDCF/KNN-EP 装置没有辜负人们的期望。测试表明，即使拉伸1000次以上，仍能保持高性能。事实证明，与其他柔性材料相比，沿纤维方向拉动时，它可以承受更高的负载。此外，当受到垂直于纤维方向的冲击和拉伸时，它在能量输出密度方面优于其他压电聚合物。值得注意的是，我们与大阪工业大学 Uetsuji 教授的团队合作，使用多尺度模拟分析了 UDCF/KNN-EP 的机械和压电响应。

UDCF/KNN-EP 将有助于推动灵活的自供电物联网传感器的开发，从而实现先进的多功能物联网设备。

成田和他的同事也对他们突破性的技术进步感到兴奋。“CF/KNN-EP 被集成到运动器材中，准确检测接住棒球的影响和人的步频。在我们的工作中，利用 CF 的高强度来提高无电池传感器的可持续性和可靠性，同时保持它们的定向拉伸性，为运动检测领域的未来研究提供了宝贵的见解和指导。”