深圳大学等在柔性自修复传感器领域取得研究成果

电子设备的辅助对于视力障碍人士和盲人而言具有补偿功能的重要意义，可帮助其获取信息、参与社会交流、提高生活质量。日前，深圳大学物理与光电工程学院黄龙彪副教授团队和西北工业大学孔杰教授团队、香港理工大学郝建华教授团队合作，通过机械刺激-电信号-音频信号的转换，研制了“会发声”的盲文识别传感系统。相关结果发表于《Materials Horizons》。

据悉，联合团队采用自修复材料制备摩擦电式自供能传感器，构建盲文识别传感系统。将含亚胺键聚合物和含氢键有机凝胶分别作为摩擦层和电极层材料，构筑自修复、耐温、可拉伸的自供能传感器。然后将自供能传感器阵列与音频系统结合。即使传感器遭受形变或机械损伤、经历低温或高温环境后仍可保持良好的输出性能。当触摸盲文时，基于摩擦电的传感器可以将机械刺激转换为电信号，该电信号可以通过编程的微控制器（MCU）电路进一步转换为音频信号，实现盲文字符的实时播放，将有望帮助视障人士和盲人获得更加便利的沟通和学习方式。

随着柔性电子技术的快速发展，柔性传感器在智能可穿戴设备中应用广泛，它可以感知外界环境的作用并给出相应的反馈。根据其工作原理，传感器主要可分为电容型、压阻型、压电型和摩擦电型。其中摩擦电型传感器不依赖外部电源驱动，能够将机械能转化为电信号，同时具有材料选择的多样性，简单的制造工艺，结构可设计性和低成本等突出的优势，广泛应用于健康监测、生物医药、人机交互界面、环境探测等领域。然而在使用自供能传感器时，器件可能会受到机械力作用，恶劣环境或形变的影响。因此，传感器的综合性能如自修复功能，可拉伸性和耐温性对于实际应用非常重要。机械冲击可能导致器件性能降低，自修复材料可有效解决上述问题，将其应用于自供能传感器的摩擦层和电极层的构筑中，可有效延长器件的使用寿命，提升安全性和可靠性。此外，在接触和分离的工作过程中产生的机械力会引起自供能传感器的形变，需要赋予器件可拉伸性以避免器件形变导致的性能下降。当传感器受到高温或低温的影响时，器件的机械和电学性能可能会变差，赋予传感器耐温性也是至关重要的。

针对以上问题，黄龙彪副教授团队、孔杰教授团队、郝建华教授团队合作设计制备了系列柔性自修复自供能传感器，团队成员戴杏怡博士做出了重要贡献。2020年，团队将可逆亚胺键（imine）与四重氢键（UPy）同时引入到聚合物网络中，构建了具有良好力学性能的自修复弹性体。然后，将经UPy修饰的多壁碳纳米管（MWCNTs-UPy）分散于聚合物基体中，得到MWCNTs-UPy/IU-PAM纳米复合材料，实现了具有自修复、可裁剪的柔性摩擦纳米发电高分子复合材料，可制备成能有效监测人体关节等运动的自供能传感器，同时可有效利用人体皮肤的红外热效应实现对受损器件的及时自修复。

2021年，团队报道了一种具有环境耐受性柔性摩擦纳米发电机，具有快速修复、抗冻不干、抗冰等优异性能，可用于能量收集和自供能传感，拓展了摩擦纳米发电机在恶劣环境下应用可能性。将多重氢键引入凝胶体系中，采用溶剂置换法，制备了自修复、抗冻、抗干的有机凝胶以用于电极材料，能够有效克服水凝胶电解质在低温冻结、高温失水的问题。与传统水凝胶型摩擦纳米发电机相比，该摩擦纳米发电机在较宽的温度范围内具有电输出稳定性。同时摩擦层的疏水性和抗冰性有助于提升器件环境耐受性。

审核编辑 ：李倩