可穿戴压电传感器因能将动态形变转换为自发电信号，且在冲击、关节运动、足底载荷及特定生理振动监测中具备高时间分辨率，正日益成为运动监测领域的研究热点。然而，压电陶瓷在运动可穿戴设备中的实际应用仍受三个耦合瓶颈制约：现实加工窗口下无铅与含铅材料的性能差距、刚性陶瓷与柔性基底间的力学及介电失配，以及针对运动员特定工况的器件级验证成熟度不足。评估该领域可采用四个分析维度：材料化学、复合结构、传感目标与验证成熟度。代表性PZT（锆钛酸铅）、BaTiO3（钛酸钡）、KNN（铌酸钾钠）及BNT（钛酸铋钠）基体系可通过压电与热学指标，结合重现性、可扩展性及可穿戴相关性进行基准测试；陶瓷-聚合物连通性与界面工程可从权衡视角进行对比；传统与增材制造路线可通过缺陷、成本及可制造性标准进行评估；应用研究应依据明确验证指标而非仅定性描述进行判断。现有证据表明，无铅体系在多个针对性应用场景中已缩小与PZT的性能差距，但其在运动可穿戴设备中的应用仍依赖更严格的工艺控制、更可靠的封装及更完善的校准流程。这些趋势为下一代鲁棒性压电运动监测平台的材料选择、器件结构、制造工艺、信号调理及耐久性测试提供了设计准则。
1. 引言
运动监测正从间歇性观察向连续、数据驱动的训练负荷、动作质量与恢复状态评估转变。可穿戴平台因能在训练与竞赛场景中直接获取生物力学与生理信息，成为这一转型的核心载体。此类传感器的核心价值不仅在于信号采集，更在于能否在运动员特定运动条件下输出可解释、可复现的信息。压电传感器的性能从根本上由其活性材料的内禀属性决定。铁电陶瓷（尤其是钙钛矿氧化物）因压电系数与机电耦合因子远高于常见压电聚合物，在高保真传感与高效能量转换中具备显著优势，但其高硬度、脆性及力学刚度导致的有限柔顺性与断裂韧性，与动态体表所需的共形、反复可变形特性存在冲突，如何调和机电性能与力学适配性是可穿戴运动监测领域的核心材料挑战。现有综述多并行讨论材料、器件结构与运动场景，未形成统一的工程框架，导致常出现高压电系数的报道却未阐明该组分能否加工为力学柔顺、耐受运动员运动的薄型器件，且缺乏稳定的校准性能。因此，亟需建立将陶瓷内禀指标、复合结构、制造路线与验证成熟度显式关联的工程框架，因为运动监测系统的成败最终取决于系统层面的协同表现。
2. 压电陶瓷体系：含铅与无铅体系的批判性比较
活性压电材料的选择是传感器设计中最基础的决策，直接决定性能上限。数十年来，含铅陶瓷因无可匹敌的机电性能占据主导地位，但日益增长的环境与健康关切推动了全球范围内无铅替代材料的研究。PZT（锆钛酸铅，Pb(Zr,Ti)O3）长期被视为压电材料的“黄金标准”，其纵向压电系数d33通常超过500 pC/N，居里温度（TC）常高于300°C，机电耦合因子优异，且可通过受主掺杂（“硬”PZT）或施主掺杂（“软”PZT）进一步调控性能，在多类传感器与执行器中应用广泛。PZT的卓越性能主要归因于其相图中的准同型相界（MPB），该边界处四方相与菱方铁电相共存，极化旋转能力增强，从而最大化压电响应。尽管性能优异，PZT的化学组成构成根本制约：其含铅量超过60 wt%，铅的毒性对人体健康与环境存在明确危害，高温烧结过程中氧化铅的高蒸气压带来职业暴露风险，废弃电子设备的铅浸出会进入食物链与土壤。欧盟《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》（RoHS）与《废弃电子电气设备指令》（WEEE）等法规已推动消费电子领域去铅化，对于长期接触皮肤的可穿戴传感器，采用生物相容性无铅材料不仅是合规要求，更是安全创新的前提。
为应对无铅化需求，研究人员聚焦于BaTiO3（BT，钛酸钡）、(K,Na)NbO3（KNN，铌酸钾钠）与Bi0.5Na0.5TiO3（BNT，钛酸铋钠）基无铅钙钛矿陶瓷体系。BT是最早商业化的压电陶瓷之一，但其居里温度仅约130°C，限制了高温稳定性；BNT基体系电场诱导应变大，但矫顽场高、极化困难，且性能温度依赖性显著，不利于传感器稳定输出；KNN基陶瓷因高居里温度（常>400°C）与强本征压电性能，成为最具潜力的PZT替代体系，2004年Saito等人报道的织构化改性KNN陶瓷实现PZT级性能，引发了该领域的研究热潮。对PZT与无铅体系的比较不能仅局限于峰值d33，需结合d33、机电耦合、居里温度、典型加工窗口、重现性问题及中等温度下可穿戴相关性综合判断。当前趋势显示：PZT在工艺成熟度与一致性层面仍定义最宽高性能包络，无铅体系在特定场景下具备竞争力，但对组分与工艺更敏感。2024年的研究进一步证实，织构化KNN基组分可实现超高d33与优异热稳定性，但碱金属挥发、窄组分窗口与严格织构化工艺仍是实际应用的障碍。
提升无铅陶瓷性能的关键策略包括相界工程与结晶织构化。受PZT中MPB启发，研究人员通过化学改性在无铅体系中构建室温下多铁电相（菱方R、正交O、四方T）共存的准同型相界（PPB），促进畴壁运动与极化旋转，大幅提升压电性能。例如，Wang等人通过多元素掺杂在KNN基陶瓷中实现纳米级R-O-T多相共存，获得d33达650±20 pC/N的超高性能，超过商用PZT-5H。结晶织构化则利用压电性能的各向异性，通过模板晶粒生长（TGG）等技术诱导晶粒沿最大压电响应方向择优取向，可使多晶陶瓷性能接近单晶的70%以上，是低成本提升性能的有效路径。从运动传感器角度，材料选择需结合应用场景：PZT适用于需要最大可用耦合裕度与成熟工艺的场景，KNN与BNT衍生体系则在环境合规、中等工作温度与轻量化可穿戴集成需求中更具优势。需特别注意的是，“性能”的定义具有情境依赖性：PZT的高居里温度对工业与军事应用至关重要，但对体温环境下工作的可穿戴传感器并非必需；此时，足够的压电灵敏度、优异力学柔顺性与绝对生物相容性才是核心指标。
3. 面向柔性可穿戴传感器的陶瓷-聚合物复合材料材料工程
开发高性能无铅陶瓷解决了毒性问题，但未消除刚性陶瓷与柔性可穿戴器件的力学失配。构建压电复合材料是将二者优势协同集成的核心策略。单一压电陶瓷机电转换效率高，但杨氏模量高、本质脆性，无法承受人体运动中的弯曲、扭转与拉伸；聚合物虽具备优异柔顺性、低密度与易加工性，但本征压电系数比陶瓷低1-2个数量级。将压电陶瓷相分散或结构化于连续聚合物基体中，可实现复合材料的性能互补：聚合物基体提供力学柔韧性与耐久性，嵌入式陶瓷相承担机电换能功能，这是现代柔性压电传感器设计的基石。陶瓷填料形态（纳米颗粒、纳米棒、纳米纤维、带、纳米片等）显著影响变形下的应力传递、界面极化和偶极取向，进而决定复合材料的压电输出与力学回弹性，通过调控填料几何形状与分散状态，可优化机电耦合效率，实现高能量转换性能的柔性器件。
复合材料的两相性能不仅取决于体积分数，更取决于两相的空间排布与连通方式，即“连通性”。Newnham提出的连通性框架用两个数字（m-n）表示，其中m为活性（陶瓷）相的维度，n为被动（聚合物）相的维度。0-3型复合材料中，0维陶瓷颗粒分散于3维连通的聚合物基体，制备简单、柔顺性优异，适合大面积薄膜，但陶瓷相不连续导致应力传递效率低，有效输出密度低；1-3型复合材料中，1维陶瓷棒/纤维沿极化方向排列，嵌入3维聚合物基体，保留了载荷传递路径，灵敏度与方向响应更高，但制备复杂且各向同性可拉伸性降低；2-2型为层状结构，应力传递呈层状，适用于叠层或贴片式器件，但界面弯曲失配与分层风险较高；3-3型为两相互穿网络，可平衡输出与结构连续性，但薄型可穿戴器件的重现性制备难度大。对于可穿戴系统，连通性选择是权衡过程：0-3型优先用于舒适度、低成本与大面传感需求，1-3型优先用于已知定向载荷的高灵敏度力或运动传感。
实现复合材料最优性能还需精确调控两相界面。陶瓷与聚合物的力学（刚度）与电学（介电常数）失配会导致界面弱结合，应力传递效率低、能量耗散，且介电失配会在低介电聚合物相中产生强电场集中，屏蔽陶瓷颗粒，阻碍铁电畴排列所需的关键电晕极化过程。界面工程通过化学改性陶瓷填料表面提升其与聚合物基体的相容性，常用策略为偶联剂（如有机硅烷或钛酸酯）修饰：分子一端与无机陶瓷表面形成共价键或配位键，另一端为可与聚合物基体共聚的有机官能团，构建两相间的化学桥接，确保高效应力传递，还可促进聚合物基体中所需晶相的成核，进一步提升整体性能。对于运动监测复合材料，界面工程的效果需通过填料分散质量、介电失配比、界面粘附力、循环变形后输出保持率及重复机械加载下的噪声增长等可测量指标进行表征。
复合结构的实现依赖于制造技术。传统方法如溶胶-凝胶与水热法可制备高纯度、形貌可控的陶瓷纳米填料；静电纺丝可制备压电聚合物或陶瓷/聚合物复合纳米纤维，组装为适合可穿戴传感器的多孔柔性毡；溶液浇铸与热压可混合陶瓷粉末与聚合物基体，制备0-3型薄膜或块体；1-3型复合材料传统采用“切割-填充”工艺，劳动强度大。增材制造（3D打印）的出现实现了复合材料的微观结构定制：立体光固化（SLA）与数字光处理（DLP）通过光选择性固化陶瓷负载的光敏树脂，逐层构建高精度陶瓷素坯，经脱脂与烧结后形成致密复杂陶瓷骨架，再渗透聚合物得到3-3或1-3型复合材料；直写成型（DIW）通过挤出陶瓷/聚合物复合墨水构建结构，材料组成灵活。传统工艺化学通用性强、门槛较低，但在厚度控制、填料取向、孔隙抑制与后处理一致性上存在局限；增材制造提升了几何自由度与结构设计能力，但高固含量浆料流变、收缩失配、脱脂与缺陷密度仍是规模化重现的障碍。3D打印的变革性潜力在于突破简单重复微观结构，实现空间梯度性能、层级设计与计算优化的拓扑结构，将材料从被动混合物转变为工程超材料，为针对特定运动监测需求定制传感器性能提供了可能。
4. 运动领域应用、当前挑战与未来展望
先进陶瓷材料、复合设计与创新制造技术的融合推动了面向运动场景的柔性压电传感器发展，其应用可分为四类：高冲击事件传感、关节与环节运动学监测、步态与足底载荷评估、生理振动监测，每类应用对动态范围、安装位置、运动伪影容忍度与校准复杂度有不同要求。
高接触或高冲击运动中，动态力传感是压电器件的突出优势。早期跆拳道护具的力触发计分系统证明了客观计分的实用价值，近年头部冲击传感研究凸显了快速瞬态检测与空间感知冲击监测的安全意义，该类应用的转化挑战在于如何在可变安装条件与运动员个体差异下，将冲击波形可靠转换为可信的决策指标。优化运动技术需详细解析身体运动学，柔性压电传感器可共形贴合关节，监测复杂高速动作：例如基于柔性PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜的自供电传感器可解析篮球投篮中“抬肘、伸臂、压腕”的动作序列，通过多关节传感器监测整个动作的关节角度、频率与力时序，为技术纠正提供反馈；类似方案可用于排球扣球手势监测，通过输出电压区分手掌角度的正确性；智能护腕集成PVDF传感器可监测举重过程中的手腕生物力学，量化不同负荷下的屈曲角度，提供实时损伤预防反馈。步态分析是多项运动的基础，压电传感器常集成于“智能鞋垫”中，通过足跟与前掌的压力点布置，测量垂直地面反作用力与足底压力分布，解析步幅、步频与着地模式，其自供电特性使其成为低功耗步态事件检测的理想选择，但需注意该领域竞争激烈，惯性测量单元（IMU）在三维运动学分析中更具优势。除生物力学外，压电传感器还可通过检测身体微弱机械振动监测生理信号：贴合胸部或腕部的柔性传感器可将血流或胸廓运动的机械脉冲转换为电信号，实现心率与呼吸率监测。更具创新性的方向是多模态传感平台的开发，例如集成ZnO（氧化锌）纳米线与乳酸氧化酶的压电-生物传感织物，可同时监测关节角度（压电效应）与汗液乳酸浓度（酶促反应调制压电输出），实现运动员身体状态与代谢状态的实时综合评估。
尽管应用前景广阔，压电陶瓷基传感器从实验室原型向商业化运动监测产品转化仍面临显著挑战。首要障碍是耐久性与可靠性：运动环境极端严苛，传感器需承受反复高冲击应力、持续弯折拉伸、汗液水分与盐分的长期暴露，易导致陶瓷元件机械失效、陶瓷-聚合物界面分层或电极材料退化，性能随时间衰减。多数研究仅证明短期功能，缺乏对长期稳定性、可水洗性与数千小时高强度使用后性能的评估。其次是数据准确性与信号完整性：压电传感器输出的电信号（尤其是微弱生理监测信号）易受运动伪影与电磁干扰污染，需复杂的信号处理、滤波算法与智能传感器布局来提取真实信号，电荷放大、阻抗匹配、屏蔽、运动伪影抑制与校准策略共同决定了可用信噪比，尤其对微弱生理或低应变测量至关重要。系统集成与电源管理同样复杂：柔性可变形传感器与刚性微控制器、电池、无线发射模块的集成会损害整体可穿戴性；尽管压电材料的自供电特性是优势，但高效收集、存储与管理人体运动产生的间歇、波动能量以驱动整个电子系统仍是非平凡任务。最后是可穿戴性与用户接受度：传感器必须不影响运动员表现，需兼顾舒适性、透气性、重量与美观性，成为运动装备的自然组成部分而非实验室设备。
未来研究应优先关注可重现的无铅加工、结构感知的复合设计、可扩展制造、鲁棒信号调理与协议驱动的运动员验证。人工智能不应仅被视为宏观展望，而应作为传感管线的技术组件：有效的AI工作流通常依赖时域描述符、频域特征或多模态融合信号，并需针对有意义的生物力学或生理标签进行验证，同时明确跨受试者泛化能力、对照选择与校准漂移情况。运动监测的未来不属于单一“最佳”传感器，而在于传感器融合：同一可穿戴平台可集成压电传感器（高频冲击检测）、IMU（方向与静态姿态）与电化学传感器（水合或代谢物水平监测），融合机械、生理与生化数据，提供更丰富、可操作的运动员表现与健康状态认知。总体而言，该领域的进步将更少依赖孤立的性能纪录，更多依赖陶瓷化学、复合结构、电子学、封装与协议驱动验证的协同设计，运动监测的转化成功应以设备在反复运动下的准确性、舒适性与可解释性为评判标准，而非仅以实验室峰值输出为依据。
5. 结论
现有证据表明，基于压电陶瓷的可穿戴传感器不应仅通过单一材料性能视角评估。PZT仍提供最成熟的广谱性能包络，但无铅体系的近期进展表明，当工作温度、几何形状、环境约束与制造路线与应用场景匹配时，KNN、BNT与BT衍生体系均具备可行性。三项设计准则可直接从基准表中得出：第一，材料选择应基于可用性能包络，而非仅追求纪录值；第二，复合连通性必须与变形模式和校准策略相匹配，因为足底压力的最佳结构很少与冲击或关节角度传感的最佳结构相同；第三，器件转化依赖于制造与验证，与活性材料选择同等重要。界面工程指标、缺陷感知制造、模拟前端设计与标准化耐久性协议应成为常规报告要素，以推动该领域从概念验证原型向运动员可用系统迈进。未来研究应优先关注可重现的无铅加工、结构感知的复合设计、可扩展制造、鲁棒信号调理与协议驱动的运动员验证，这些要素的协同报道将为可靠的压电可穿戴运动监测、损伤预防与数据驱动训练提供最清晰的路径。
