可穿戴传感器，因其能够实时监测人体的生理和行为状态，成为了研究和商业的热点。然而，尽管现有的柔性压电传感器在感测精度和功能上取得了不少进展，它们往往因为包装材料的不透气性而在舒适度和长时间穿戴的适用性上存在明显短板。特别是，这些传感器通常使用的不透气膜材质，虽然可以有效防止湿气干扰和短路，但同时也妨碍了皮肤的正常呼吸和汗液的排放，从而可能导致皮肤病变和不适。
压电材料，尤其是聚偏氟乙烯（PVDF）及其衍生物，由于其优异的压电效应，已被广泛用于开发柔性传感器。但常规的PVDF基传感器面临的一个关键挑战是如何在维持压电性能的同时提升材料的透气性和机械强度。为了解决这些问题，科学家们需要开发新型的传感器结构，以达到更好的使用效果和用户体验。
在本研究中，西安工程大学的樊威教授及其团队致力于开发一种新型的三维压电织物（3DPF），该织物由高性能的PVDF纳米纱线、银覆尼龙纱线和其他几种功能性纱线通过先进的三维纺织技术织成。这种独特的结构设计不仅赋予了织物出色的机械强度和压电特性，而且通过合理的纱线排列和材料选择，实现了单向的液体传输能力。这意味着汗水可以迅速从皮肤附近的层面向外层输送并蒸发，大大提高了穿戴的舒适度和健康性。相关研究成果以“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”为题发表于Nature Communications期刊。
此外，本研究中3DPF的耐用性和舒适性测试表明，其性能与常规棉T恤相当，甚至在某些方面更胜一筹。科学家们还将这种压电织物应用于智能床单和儿童安全带，展示了其在智能医疗和安全警报方面的潜力。通过无线传输系统和STM32控制单元，3DPF能够实现对压电信号的实时监测和远程传输，从而为穿戴者提供更多实时数据和增强的用户体验。
研究者为了解决商用可穿戴压电传感器在透气性和舒适度方面的不足，进行了一系列研究。他们通过开发三维压电织物（3DPF），采用PVDF纳米纱线、银-尼龙纱线、Coolmax纱线、粘胶纱线和聚酯纱线，并利用先进的纺织技术，形成了一种具有优异机械和压电性能的柔性传感器。图1展示了3DPF的制造和结构示意图，显示了各个纱线的布局和相互关系，以及织物的层次结构。图2展示了PVDF纳米纱线经过热拉伸前后的形态和性能变化，结果表明热拉伸后纳米纱线的强度得到显著提升。图3展示了3DPF具有单向水传输的特性，说明汗水可以迅速从内层传输到外层，保持用户的干爽舒适。图4展示了3DPF的压电性能，结果显示其能够产生稳定的电信号。图5展示了3DPF的耐用性和舒适性，结果表明其与商业棉T恤相似，可长时间穿着舒适。图6展示了3DPF的应用，包括用作智能医疗床单的自供电开关以及儿童腰带的报警功能。综合而言，研究者通过开发3DPF，成功地解决了传统压电传感器在透气性和舒适度方面的问题，为柔性可穿戴电子设备的发展提供了重要策略和应用前景。
图1 三维压电织物（3DPF）的制造和结构示意图
图2 热拉伸前后PVDF纳米纱线的形态和性能
图3 3DPF的单向水传输特性
图4 3DPF的压电性能
图5 3DPF的耐用性和舒适性
图6 3DPF的应用
这项研究为发展舒适且高性能的柔性压电传感器提供了重要的科学启示。通过利用先进的纳米纤维制备技术和三维纺织技术，成功开发了具有优异性能的PVDF压电纳米纱线，并将其与其他纱线编织成了三维压电织物（3DPF）。这一独特的材料设计实现了纳米纱线的高强度和导电纱线的传导功能，同时保持了良好的透气性和舒适性，使得3DPF在穿戴过程中能够快速排汗，保持皮肤干燥舒适。值得注意的是，3DPF的压电性能在人体出汗的情况下得到了增强，为开发智能穿戴产品提供了新的思路。通过将3DPF应用于自供电开关等智能功能，可以实现对个体健康和安全的实时监测和响应，从而推动了智能可穿戴技术的发展，拓展了其在医疗、安全等领域的应用前景。这一研究结果为未来设计更舒适、更智能的可穿戴电子设备提供了重要的科学基础和技术支持。
