项目名称：基于轻量化柔性压电功能膜的智能感知设备
- 同济大学
- 上海市杨浦区四平路1239号
- 200092
- 洪园波
- 021-65982875
- https://www.tongji.edu.cn/
| 姓名 |
张晓青 |
电话 |
65989832 |
电子邮件 |
x.zhang@tongji.edu.cn |
| 区号 |
021 |
邮编 |
200092 |
通信地址 |
上海市杨浦区四平路1239号同济大学物理馆602A室 |
薛 远 马星晨 相新昊 左 西 潘文钧 陈 汉 戴 瑛 牛文鑫 贺鹏飞
| 专利类型 |
|
专利状态 |
|
| 申请号 |
授权日期 |
授权专利号 |
| CN201910147047.3 |
2020-08-18 |
CN109687758B |
| CN201910555478.3 |
2022-04-05 |
CN110327052B |
| CN201911187752.2 |
2021-09-03 |
CN110987248B |
| CN201911381989.4 |
2021-07-20 |
CN111179547B |
随着物联网和智能可穿戴设备的快速发展，柔性电子作为物联网发展的关键节点，其逐渐在各个领域引起广泛关注。压电驻极体是具有强压电效应的新型柔性压电功能材料，其具有压电系数大、声阻抗低、弹性模量低等优点，并且其厚度小、重量轻、柔韧性好、具有一定拉伸能力、对各种形状适应性强、低成本、易操作，这些特点使得其非常适合制备高性能柔性传感器，在智能设备领域具有巨大的应用前景。
本项目围绕柔性压电驻极体功能膜设计并开发出三种智能感知设备，包括：坐姿生命体征监测智能座椅/坐垫、步态监测智能袜子、柔性薄膜扬声器。
1) 坐姿生命体征监测智能座椅/坐垫
本项目将压电驻极体功能膜嵌入商品座椅/坐垫内，开发出一款无感坐姿生命体征监测智能座椅/坐垫，用于实时监测人体呼吸和心率，无需穿戴额外的产品。该产品中所使用的压电驻极体材料具有强压电活性，可以实时将人体呼吸和心脏跳动引发的震动信号转变为电学输出信号，利用信号处理单元对采集到的电学信号进行处理以转换为人体呼吸率及心率生命体征数据。
2）步态监测智能袜子：
本项目将高响应灵敏度的柔性压电纤维编织于日常穿戴的袜子中，实现人体行走步态信息，包括个性化步态形式、步数及步频的实时准确监测。本项目中使用的柔性压电纤维具有同轴结构，由内到外依次为芯电极、压电层、屏蔽电极层以及护套保护层，其中压电层为高热稳定性压电聚合物，并且具有规则的人工微结构结构。压电纤维具有易编织、柔韧性高、响应灵敏、耐高温、使用寿命长并且结构纤细、简易等特点。此外，这种智能袜子无需额外配备电源，所编织出来的设备亲肤、透气、可水洗并且穿戴起来无异物感。
3）柔性薄膜扬声器：
智联网的快速发展对轻薄柔性电子产品的需求急剧增大，轻薄性、柔韧性、低功耗，以及高电声性能等是这类扬声器研发的目标。本发明涉及一种超轻薄、高柔韧性、超低功耗扬声器。该扬声器利用纳米纤维在电场下灵活的振动而激发出悦耳的声音，不仅轻薄、可弯曲，而且超低功耗。
1）无感坐姿生命体征监测新技术
已授权发明专利“一种基于智能座椅的体征监测系统”（ 授权公告号：CN110327052B）。
久坐使身体长期处于静息状态，能量消耗降低，血液流动变缓，长此以往易导致各类身体疾病。因而，面对久坐的上班族亚健康人群，长期使用轮椅的患者或老年人，对其生命体征进行实时监测，可早期发现身体异常情况，便于及时发出信号提醒医护人员及家属。
本项目率先提出将压电驻极体功能膜嵌入商品座椅/坐垫内，实现坐姿生命体征信号的实时、无感监测，其中心率的监测范围为：30-200 BPM，心率监测准确度：±5BPM，呼吸率监测范围为：6-30 BPM，呼吸率监测准确度：±3 BPM。
2）个性化步态监测新产品
近年来，生物力学、医学工程及传感器技术作为一门新兴的交叉学科，在全世界范围内引起了广泛而深入的研究。可穿戴式柔性传感器已成为生物力学和医学工程的新兴研究热点。足底应力分布被认为是生物力学的一项重要的热点研究内容。
本项目创新地将纤细柔韧的压电纤维编织于穿戴织物中，开发出个性化步态监测新产品，所编织出来的智能设备亲肤、透气、可水洗并且穿戴起来无异物感。本项目涉及的核心传感线缆具有以下关键性能指标： 1) 柔韧性高、结构简易、纤细，压电纤维直径仅为0.4 mm，这使得其极易编织，可以各种图案缝制于商品穿戴衣物内；2) 压电纤维具有灵敏度高、耐高温、使用寿命长等突出特性。
3）柔性薄膜扬声器
区别于传统的扬声器，薄膜型柔性扬声器不仅重量轻，而且可以弯曲，能够附着各种形貌的物体表面（例如机器人肌肤、人体肌肤、幕布、柔性显示屏等等），是一类新型的电子器件。本发明涉及一种超轻薄、高柔韧性、超低功耗扬声器。该扬声器不仅轻薄、可弯曲，而且超低功耗。由于声音从大面积薄膜中传播开来，声音穿透力强，音效悦耳，并具有声音定向功能。若搭配高清晰度的柔性屏幕组合成的视听设备视听效果优秀，为高品质生活提供更多可能性。
1）市场背景
在人口老龄化和全球新冠疫情的冲击下，人们越来越重视自身的健康问题，全球的医疗卫生费用也在不断地提高。柔性智能设备因其健康监测、运动追踪等功能成为炙手可热的移动医疗设备，并在近几年迅速普及。而伴随着互联网时代的高速发展，全球人工智能、5G、大数据等新型基础设施的普及应用下，柔性智能设备不仅仅是一种健康监测的硬件设备，更是通过软件支持、数据交互、云交互等强大功能的智能终端，是开启全新物联网时代的关键钥匙。
我国需要健康管理、康复医疗的人群非常庞大，市场广阔。且随着国内经济的发展和社会文化的不断充实，受教育的程度不断提高，人们价值观念与消费观念发生转变，因此会有越来越多的患者和亚健康人群愿意溢价获取高质量医疗服务，对实时监测健康产品的接受程度和使用率持续增加，生命体征监测的需求也不断丰富。
2）产品产业化能力
同济大学物理科学与工程学院张晓青团队针对物联网领域对柔性敏感材料和传感器的巨大需求，研发完成轻量化柔性压电功能膜的制备技术和性能调控方法，开发了一系列基于该功能膜的传感器（包括柔性薄膜触觉传感器、可穿戴智能织物传感器、空耦超声波换能器、压电线缆传感器等等）。项目研发的柔性压电功能膜制备技术、压电线缆和压电纤维制备技术均达到小规模生产水平，其性能指标皆优于国外企业的垄断产品。
3）市场应用效益
2017-2021年，全球可穿戴设备营收规模逐年增长，从349.05亿美元增长至550.61亿美元，年复合增长率12.53%。在市场需求和技术支持的背景下，全球智能穿戴设备市场的出货量不断增长，2021年全年出货5.33亿台，同比增长20%。
智能健康监测设备行业覆盖人群规模大、服务及服务用户占比多。根据2020-2025年全球生命体征监测传感器市场规模预测趋势和2019年全球不同地区生命体征监测仪收入市场份额占比等进行推断，目前，国内同类智能健康监测设备的市场规模约为百亿元。
