2024.09.18. 比萨高等师范学校研究团队在《Advanced Materials》(IF=27.4)上发表综述型文章 “Advanced Materials for Energy Harvesting and Soft Robotics: Emerging Frontiers to Enhance Piezoelectric Performance and Functionality”，介绍了用于能量收集和软机器人的先进压电材料，包括材料类型、增强材料性能的策略以及在能量收集和软机器人领域的应用。
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压电能量收集从多种来源捕获机械能，例如振动、物体和身体的运动、冲击事件和流体流动，以产生电力。这种电力可用于支持无线通信、电子元件、海洋监测、组织工程和生物医学设备。已经针对这些应用生产了各种自供电压电传感器、换能器和执行器，然而增强材料压电特性以提高设备性能的方法仍然是材料研究的一个具有挑战性的前沿领域。在这方面，可以设计或故意设计材料的固有极化和特性来增强压电产生的功率。本综述深入探讨了先进材料（包括钙钛矿、活性聚合物和天然生物材料）的压电机制，重点关注用于增强压电响应并促进其集成到复杂电子系统中的化学和物理策略。通过重点介绍主要性能指标、驱动机制和相关应用，概述了能量收集和软机器人技术中的应用。讨论了进一步提高材料和器件性能的关键突破和有价值的策略，并对下一代压电系统的要求以及未来的科学和技术解决方案进行了严格的评估。![]()
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钙钛矿材料：具有多种结构和优异的压电性能，可通过成分调节和结构设计来优化性能，但存在一些应用限制，如铅的毒性和加工温度高等问题。
聚合物材料：包括PVDF、聚酰胺、聚酯等，具有机械柔韧性好、成本低等优点，但压电系数和机电耦合系数通常较低。介绍了聚合物压电材料的极化机制和结构特点，以及通过加工方法和复合结构来提高其压电性能的策略。
天然生物材料：如氨基酸、肽、蛋白质和多糖等，具有良好的生物相容性和可降解性，在生物医学和组织工程领域有潜在应用。讨论了天然生物材料的压电机制和结构特点，以及通过分子设计和组装方法来提高其压电性能的研究进展。
化学修饰策略：包括成分优化、分子设计和合成纳米复合材料等，以提高压电材料的性能。举例说明了通过调节聚合物的组成和结构、形成有机 - 无机杂化材料等方法来增强压电性能。材料界面和纳米复合材料策略：控制材料界面和构建纳米复合材料是提高压电性能的有效策略，如使用穿透电极、制备压电复合材料等。介绍了这些策略的原理和应用，以及通过优化界面性质和纳米填料的分散来提高压电性能的方法。微纳结构策略：包括模板法、光刻技术和自组装等方法，用于修饰压电材料的微观结构，以提高其压电性能。讨论了不同微纳结构对压电材料性能的影响，如纳米管、纳米线、微柱和多孔结构等。材料加工策略：包括应用外部刺激和辐射、静电纺丝和3D打印等技术，来增强压电材料的性能和功能。介绍了这些加工策略的原理和应用，以及如何通过优化加工参数来提高压电材料的性能。协同效应和机电相互作用：在纳米纤维或纳米线网络中，相邻单元之间的协同效应可以增强压电响应。介绍了通过数值模拟和实验研究来揭示这种协同效应的机制，并讨论了其在软机器人和能量收集等领域的应用潜力。![]()
化学修饰策略
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材料界面和纳米复合材料策略
微米和纳米结构策略
材料加工策略
能量收集应用：介绍了压电材料在能量收集方面的最新进展，包括提高材料的能量收集效率、开发新型复合材料和器件等。讨论了能量收集技术在软机器人中的应用，如为机器人提供动力和实现自主能量供应等。软机器人应用：执行器：压电材料因其快速响应、高机电耦合系数和良好的控制性能等优点，成为软机器人执行器的重要选择。能量收集：介绍了软机器人中压电能量收集的方法和装置，如利用机器人的运动和环境中的能量来实现能量收集。外部设备和功率要求：讨论了使用外部能量收集设备为软机器人提供额外功率的方法，以及超声和红外等能量来源在软机器人中的应用。能够进行不同类型运动的基于压电的微型机器人
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压电致动器在生物医学和组织工程领域的示例应用
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软体机器人的能量收集
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植入式压电超声能量采集装置
材料研究方向：包括开发新的压电材料、优化材料性能和提高材料的可持续性等。强调了通过模拟和机器学习等方法来加速材料研发的重要性。应用前景：展望了压电材料在软机器人、能量收集和生物医学等领域的广泛应用前景，如开发更智能、更高效的软机器人和能量收集系统。提到了将压电材料与其他智能材料结合，实现多功能集成器件的发展趋势。
https://doi.org/10.1002/adma.202405363
