导读
近日，美国弗吉尼亚理工大学的团队开发出一种3D打印压电材料的新方法。这些压电材料经过专门设计，可将任意方向上的运动、冲击与压力转化为电能。
背景
从智能手机到音乐贺卡，压电材料几乎无处不在。然而，压电材料的功能离不开一种特殊的物理现象：“压电效应（piezoelectric effect）”。
什么是压电效应？
下面这幅图，也许可以给我们一个直观的印象：在外力作用下，物体产生形变时，电压产生了。
（图片来源：维基百科）
简单说，压电效应是指：对压电材料施加压力，使其产生电位差（正压电效应）；反之对压电材料施加电压，使其产生机械应力（逆压电效应）。也就是说，有了压电材料，我们可以利用机械形变产生电场，也可以利用电场产生机械形变，压电效应为机械能与电能之间相互转化提供了一种途径。
一般来说，典型的压电材料有骨头、蛋白质、DNA、陶瓷、塑料、织物等。压电材料为我们带来了各式各样的应用，例如传感器、换能器、谐振器、声纳、超声波成像、能量采集设备等等。
为了让大家更深入地了解压电效应的具体应用，下面我们来看几个案例：
（一）美国宾夕法尼亚州立大学研发出的新型压电式换能器。可以采集人体低频运动的能量，为智能手机、可穿戴设备、平板电脑等电子设备供电。
（图片来源：Wang Lab/宾夕法尼亚州立大学）
（二）韩国科学技术院的团队模仿人类耳蜗中的基底膜，创造出一种柔性压电薄膜，并进一步开发出基于机器学习、自供电、高灵敏度的声学传感器。这种传感器可用于识别说话的人。
模仿人类耳蜗的柔性压电式声学传感器（图片来源：韩国科学技术院）
（三）美国密歇根州立大学的团队发明了一种称为“铁电驻极体纳米发电机（FENG）”薄膜设备，能从人体运动中获取能量。这种设备不仅可应用于能量采集，而且还可用于可穿戴设备、智能硬件、音频设备等多个领域。
(图片来源：密歇根州立大学)
可是，压电材料只存在于少数定义好的形状中，并且由易碎的晶体或者陶瓷制成，此类材料需要净室才能制造。起初，压电材料是在十九世纪被发现的。从那时起，制造技术的进步带来了净室以及复杂程序以生产膜与块，经过机械加工之后，这些膜与块与电子器件相连接。昂贵的工艺以及材料固有的脆性，限制了材料的潜能。
创新
为了解决上述问题，近日美国弗吉尼亚理工大学的科研人员的新研究表示：压电材料将升级。他们在一篇于1月21日发表在《自然材料（Nature Materials）》期刊上的论文中详细描述了他们的科研成果。
该校工学院机械工程系助理教授、高分子创新研究所成员 Xiaoyu 'Rayne' Zheng 及其团队开发出一种3D打印压电材料的新方法。这些压电材料经过专门设计，可将任意方向上的运动、冲击与压力转化为电能。
下图从左到右依次是：弗吉尼亚理工大学的 Huachen Cui（第一作者）、Desheng Yao (合著者)、 Xiaoyu (Rayne) Zheng、Ryan Hensleigh（论文合著者）。
（图片来源：弗吉尼亚理工大学）
技术
Zheng 的团队开发出的模型，可用于操控并设计任意的压电常数，通过一系列可3D打印的拓扑结构生成一种材料，这种材料可以响应任意方向输入的力与振动，产生电荷运动。传统压电材料中的电荷运动是由其内在的晶体规定的。不同于传统压电材料，这种新方法使得用户可以规定和设定电压响应，使之可在任意方向上被放大、反转或者抑制。
（图片来源：弗吉尼亚理工大学）
Zheng 表示：“我们已经开发出一种设计方法以及打印平台，自由地设计压电材料的灵敏度以及操作模式。通过设计3D激活的拓扑学，你在一种材料中几乎可以实现压电系数的任意组合，并将它们作为换能器和传感器使用。这些换能器与传感器不仅柔韧、强壮，而且也可以通过电信号响应压力、振动和冲击，这些电信号能表示来自材料中任意位置的冲击的方向、量级和位置。”
3D打印的压电材料跨越人类头发丝宽度的内部拓扑结构（图片来源：弗吉尼亚理工大学）
目前的压电制造工艺中的一个因素就是：采用天然晶体。在原子水平，原子的方向是固定的。Zheng 的团队制造了一种替代物，它可以模仿晶体，但是却允许通过设计改变晶向。
Zheng 表示：“我们已经合成了一类高度灵敏的压电油墨，这些油墨可以通过紫外线雕塑成三维特征。这些油墨含有高浓度的压电纳米晶体。这些晶体与对紫外线敏感的凝胶粘在一起形成一种溶液，像熔融结晶一般的乳白色混合物。然后，我们通过高分辨率的数字光3D打印机来打印。”
团队通过可以测量人类发丝直径的分数的比例尺，演示了这种3D打印的材料。Zheng 表示：“我们可以定制这种架构，使之更具柔性，并使用它们，例如作为能量采集器件，包覆任意曲面。”
打印的柔性纳米材料薄片（图片来源：弗吉尼亚理工大学）
这种材料的灵敏度比柔性压电聚合物高五倍。材料的硬度与形状可被调整，并能制造成像纱布一样的薄片或者刚性块体。Zheng 表示：“我们的团队将它们制造成可穿戴设备，就像戒指、鞋垫，并将它们安装到拳击手套中。在这些设备中，我们能够记录冲击力以及监测用户的健康状况。”
宾夕法尼亚州立大学分管研究的副校长、前弗吉尼亚理工大学机械工程系教授 Shashank Priya 表示：“实现期望的机械、电气与热学特性的能力，将显著减少开发实用材料的时间与精力。”
价值
团队开发出的3D打印压电材料的新技术，使它们不再受到形状或者尺寸的限制。这种材料也可以在激活后，为触觉感知、冲击与振动监测、能量采集以及其他应用提供新一代的智能结构与智能材料。
团队已经打印并演示了这些智能材料，它们包覆着曲面或者穿戴在手与手指上，转换运动，采集机械能量。但是除了可穿戴与消费电子产品，它们还有更多的应用。Zheng 认为，这项技术将成为机器人、能量采集、触觉感知和智能结构的一次技术飞跃。在这些领域，完全由压电材料制成的结构，可以感知冲击、振动与运动，并监测和定位它们。
团队打印了一座小型智能桥梁，来演示其感知跌落冲击位置以及量级的能力，同时它也可以足够健壮地吸收冲击能量。团队也演示了它们作为智能换能器的应用，这种换能器可以将水下的振动信号转化为电压。
3D打印的柔性能量采集器（图片来源：H. Cui / Zheng Lab）
组装成的具有压电活性的智能结构传感器（图片来源：弗吉尼亚理工大学）
Zheng 的博士研究生、论文第一作者 Huachen Cui 表示：“传统意义上，如果你想要监测一个结构的内部力度，你需要将许多单独的传感器放置在这个结构之上，每个传感器都具有许多的线与连接器。在这里，结构本身就是传感器，它可以实现自我监测。”
关键字
自供电、能量、3D打印、传感器、压电
参考资料
【1】https://vtnews.vt.edu/articles/2019/01/3d_printing_discovery.email.html
【2】Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya, Prashant Kumar, Min Gyu Kang, Shashank Priya, Xiaoyu Zheng. Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response. Nature Materials, 2019; DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1
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