一个国际研究小组通过将压电复合材料与单向碳纤维相结合，设计了一种新型的高强度柔性装置，UDCF是一种各向异性材料，仅在纤维方向上提供强度。新设备将人体运动的动能转化为电能，为高强度和自供电传感器提供了一种高效可靠的手段。
该小组的研究细节于2023年12月14日发布在《Small》杂志上。
运动指令涉及将人体运动的能量转换为可测量的电信号，对于确保可持续的未来至关重要。
“作为物联网的一部分，从防护装备到运动器材的日常用品都连接到互联网，其中许多都配备了收集数据的传感器，”该研究的合著者、东北大学环境研究科教授成田文雄说。“将这些物联网设备有效集成到个人装备中，需要在电源管理和材料设计方面提供创新的解决方案，以确保耐用性和灵活性。”
由于压电材料在物理压力下能够发电，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个人防护设备是否能够提供舒适性、更高的耐用性和传感能力，”成田说。
该小组使用单向碳纤维织物和铌酸钾钠纳米颗粒与环氧树脂树脂混合的组合制造了该装置。UDCF既是电极，又是定向增强。
所谓的UDCF/KNN-EP设备不负众望。测试表明，即使在拉伸超过1000次后，它仍能保持高性能。事实证明，与其他柔性材料相比，当沿纤维方向拉动时，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超过了其他压电聚合物。值得注意的是，与大阪工业大学的Uetsuji教授的小组合作，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发展，从而实现先进的多功能物联网设备。
成田和他的同事们也对他们的突破的技术进步感到兴奋。“CF/KNN-EP被集成到运动器材中，并准确检测出接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，同时保持其方向拉伸性，并为运动检测领域的未来研究提供有价值的见解和指导。
