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研究背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的普及，柔性傳感技術(shù)飛速發(fā)展。為滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用，迫切需要尋求一種能實(shí)現(xiàn)可穿戴、便攜且自供電的柔性傳感器。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）作為一種新型的自供電傳感裝置，在柔性電子和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊的開(kāi)發(fā)潛力和研究?jī)r(jià)值。與薄膜、纖維等常見(jiàn)的柔性材料相比，凝膠憑借三維動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有優(yōu)異的性能可調(diào)性，在高導(dǎo)電、機(jī)械強(qiáng)韌性、自愈合以及極端環(huán)境適應(yīng)性的柔性材料的設(shè)計(jì)中彰顯了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在此背景下，深入探索凝膠材料在TENGs的研究對(duì)推動(dòng)柔性傳感領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。

02

文章概述

近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)就近年來(lái)凝膠基TENGs在柔性傳感領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。詳細(xì)介紹了凝膠基TENGs的基本原理、凝膠材料的性能優(yōu)勢(shì)；基于柔性傳感的性能需求，對(duì)水凝膠、有機(jī)凝膠以及氣凝膠基TENGs進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析對(duì)比了常用材料在不同凝膠基TENGs的性能差異；重點(diǎn)討論了凝膠基TENGs在人體運(yùn)動(dòng)感知、健康檢測(cè)、觸覺(jué)感知、環(huán)境監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，為柔性摩擦電傳感器的開(kāi)發(fā)提供了新的視角。該項(xiàng)成果以題為“Gel-Based Triboelectric Nanogenerators for Flexible Sensing: Principles, Properties, and Applications”發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nano-Micro Letters》上。魯鵬副教授與2022級(jí)碩士研究生廖小芳為共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，郭小瑤、蔡晨晨、劉艷華、遲明超、杜國(guó)立、韋芷婷、蒙香江參與研究。

圖1.用于柔性傳感的凝膠基TENGs

03

圖文導(dǎo)讀

1.凝膠基TENGs的典型結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制

在凝膠基TENGs的結(jié)構(gòu)組成上，三類(lèi)凝膠材料均能作為電極和摩擦層?；诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、皮膚適配和可自由移動(dòng)的特點(diǎn)，單電極模式的凝膠基TENGs在柔性可穿戴傳感器的開(kāi)發(fā)中占據(jù)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。水凝膠和有機(jī)凝膠通常封裝在Ecoflex、PDMS等彈性體內(nèi)，常作電極發(fā)揮作用。氣凝膠則憑借高比面積、高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，作為摩擦層時(shí)能儲(chǔ)存和傳遞更多的帶電物質(zhì)，有效增強(qiáng)了表面電荷密度。因此，相比致密性的摩擦層材料，以氣凝膠為摩擦層的TENGs在同等條件下具有更優(yōu)異的輸出性能。

圖2.凝膠基TENGs的典型結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制

2.用于柔性傳感的凝膠基TENGs的性能優(yōu)化

（1）水凝膠基TENGs

大部分的水凝膠電極本身導(dǎo)電能力有限，本征電導(dǎo)率在10?5–10?1S cm-1之間，與金屬電極相差甚遠(yuǎn)。為保障柔性摩擦電傳感器的傳感效果，增強(qiáng)水凝膠電極的導(dǎo)電性能意義非凡。主要介紹了引入導(dǎo)電填料、自由離子或?qū)щ娋酆衔锏确绞?，以此?yōu)化水凝膠基TENGs的導(dǎo)電性能。

圖3.水凝膠基TENGs導(dǎo)電性能的優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)皮膚適配性、傳感穩(wěn)定性以及器件耐用性，可穿戴傳感設(shè)備對(duì)水凝膠材料的機(jī)械性能有著特殊需求，尤其是在大拉伸變形下的完整性。主要介紹了向凝膠基質(zhì)中添加納米填料或摻雜劑、能量耗散機(jī)制的構(gòu)建，探討了水凝膠基TENGs機(jī)械性能的優(yōu)化策略。

圖4.水凝膠基TENGs機(jī)械性能的優(yōu)化

此外，制備具有自修復(fù)行為的柔性傳感器件是拓寬在極端惡劣環(huán)境應(yīng)用的關(guān)鍵。主要討論了通過(guò)引入動(dòng)態(tài)化學(xué)/物理鍵的方式，實(shí)現(xiàn)提升水凝膠基TENGs的自修復(fù)功能，拓寬柔性傳感器件的適用范圍并延長(zhǎng)使用壽命。

圖5. 水凝膠基TENGs自修復(fù)性的優(yōu)化

（2）有機(jī)凝膠基TENGs

較高機(jī)械韌性的材料能幫助柔性傳感器更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境變化，一定程度防止器件過(guò)早失效，提升穩(wěn)定性和使用壽命。與雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的設(shè)計(jì)策略類(lèi)似，高韌性有機(jī)凝膠基TENGs也主要是構(gòu)建能量耗散機(jī)制。具體方法包括但不限于構(gòu)建犧牲網(wǎng)絡(luò)、微相分離、聚合物結(jié)晶和離子-偶極相互作用。

圖6. 有機(jī)凝膠基TENGs機(jī)械韌性的優(yōu)化

有機(jī)凝膠液相選擇性多，極性有機(jī)溶劑、離子液體以及脂肪等都可以作為有機(jī)凝膠的液相。有機(jī)凝膠避免了水易高溫蒸發(fā)、低溫凍結(jié)對(duì)水凝膠基TENGs的工作溫度范圍的限制。通常情況下，引入甘油、乙二醇等二元溶劑進(jìn)行溶劑置換，或利用離子-偶極相互作用等可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)凝膠基TENGs溫度耐受性的提升。

圖7. 有機(jī)凝膠基TENGs溫度耐受性的優(yōu)化

（3）氣凝膠基TENGs

介電常數(shù)是指材料在交變電場(chǎng)中極化的能力，在TENGs中反映了摩擦電材料產(chǎn)生和保留摩擦電荷的能力。為提升氣凝膠基TENGs的摩擦輸出性能，介電調(diào)控已被證明是非常有效的方式。主要介紹了孔隙率調(diào)控和填料摻雜等策略，實(shí)現(xiàn)氣凝膠基TENGs的介電增強(qiáng)。

圖8. 氣凝膠基TENGs 的介電增強(qiáng)策略

環(huán)境溫度變化會(huì)對(duì)柔性傳感器的傳感結(jié)果造成干擾。氣凝膠是一種優(yōu)異的隔熱材料，其多級(jí)分形孔結(jié)構(gòu)可以有效阻止空氣對(duì)流，降低熱輻射和熱傳導(dǎo)。優(yōu)化隔熱性能有助于提升氣凝膠基TENGs的高溫環(huán)境適應(yīng)性，降低溫度變化對(duì)傳感效果的干擾。

圖9. 氣凝膠基TENGs隔熱性能的優(yōu)化

3.凝膠基TENGs在柔性傳感的應(yīng)用

（1）人體運(yùn)動(dòng)感知

對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的感知與監(jiān)測(cè)能幫助人們及時(shí)掌握運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有助于實(shí)現(xiàn)個(gè)人的健康管理。凝膠基TENGs能將運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四肢、關(guān)節(jié)和肌肉等人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖10.用于人體運(yùn)動(dòng)感知的凝膠基TENGs

（2）觸覺(jué)感知

在智能產(chǎn)業(yè)的興起下，智能觸屏電子產(chǎn)品的普及推動(dòng)了人們對(duì)觸覺(jué)交互界面的研究。觸覺(jué)感知不僅能夠幫助人體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和技能訓(xùn)練，并且還能識(shí)別不明信號(hào)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警保護(hù)人體安全。凝膠材料具有優(yōu)異的柔韌性以及自修復(fù)功能，以凝膠材料組裝的TENGs在觸覺(jué)傳感器的開(kāi)發(fā)中優(yōu)勢(shì)突出。

圖11. 用于觸覺(jué)傳感的凝膠基TENGs

（3）健康監(jiān)測(cè)

健康監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)防疾病、管理健康、個(gè)性化診療和提高健康意識(shí)提供了切實(shí)可行且高效的方案。隨著無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和傳感技術(shù)的有效聯(lián)合，以凝膠材料集成的柔性摩擦電傳感器通過(guò)對(duì)呼吸、汗液、血壓、心率等生理信號(hào)進(jìn)行感知監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體健康狀態(tài)。

圖12. 用于健康監(jiān)測(cè)的凝膠基TENGs

（4）環(huán)境監(jiān)測(cè)

人類(lèi)活動(dòng)的不斷擴(kuò)大和工業(yè)化進(jìn)程的加速，讓生態(tài)環(huán)境面臨日益嚴(yán)重的威脅和挑戰(zhàn)。加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)于保護(hù)生態(tài)平衡至關(guān)重要。凝膠基TENGs主要集中對(duì)環(huán)境溫度、濕度、水質(zhì)以及氣體等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖13. 用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的凝膠基TENGs

（5）人機(jī)交互

得益于無(wú)線(xiàn)傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)合發(fā)展，人機(jī)交互逐漸成為推動(dòng)智能化時(shí)代發(fā)展的有力途徑?；谀z材料的柔性摩擦電傳感器在人機(jī)交互領(lǐng)域已取得長(zhǎng)足的發(fā)展，主要體現(xiàn)在人機(jī)界面（HMI）、信息防護(hù)加密以及智能機(jī)械臂等方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖14. 用于人機(jī)交互的凝膠基TENGs

（6）其他領(lǐng)域

集自供電、柔韌且環(huán)境友好型為一體的凝膠基摩擦電傳感系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能優(yōu)化，展現(xiàn)了在其他領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。例如，水凝膠和有機(jī)凝膠具有類(lèi)人體組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)，能用于傷口愈合、植入式醫(yī)療。凝膠基TENGs還能通過(guò)監(jiān)測(cè)駕駛員面部反應(yīng)以及車(chē)速，來(lái)評(píng)估駕駛安全性，實(shí)現(xiàn)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖15. 用于其他領(lǐng)域的凝膠基TENGs

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結(jié)論

凝膠基摩擦電柔性傳感器的出現(xiàn)，推動(dòng)了柔性傳感領(lǐng)域向器件可穿戴、材料柔韌性以及設(shè)備自供電的方向發(fā)展。本文從原理、性能和應(yīng)用的角度全面總結(jié)了凝膠基TENGs在柔性傳感領(lǐng)域的最新進(jìn)展。文章在末尾從材料、電輸出性能以及應(yīng)用三方面對(duì)凝膠基TENGs現(xiàn)存的挑戰(zhàn)深入討論，并對(duì)凝膠基TENGs的未來(lái)發(fā)展作出展望，以期推動(dòng)凝膠基TENGs在柔性傳感領(lǐng)域更加廣泛且深入的發(fā)展。