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北化楊丹教授/于中振教授、納米能源所王中林院士 AFM：自愈合、全天候、自供電智能交通監(jiān)控系統(tǒng)
2023-09-16  來源：高分子科技

  據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年約有130萬人死于道路交通事故，給家庭造成嚴(yán)重損失，并引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)問題。開發(fā)一種能夠預(yù)防交通事故發(fā)生并準(zhǔn)確判定事故責(zé)任的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。目前存在的交通監(jiān)控系統(tǒng)通常只具有單一的檢測功能，并且需要高電壓來提供電能。3D水凝膠在可拉伸性、自愈性、柔韌性和生物相容性等方面具有顯著的優(yōu)勢，在作為摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的電極材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。通過部分替代水凝膠中的水，還可以有效解決寒冷氣候TENG的結(jié)冰問題。


  北京化工大學(xué)楊丹教授、于中振教授、北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)制備了一種新型聚乙烯醇(PVA)-聚丙烯酰胺(PAM)/單寧酸改性纖維素納米晶雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠(PPC)，構(gòu)建了基于壓阻效應(yīng)的駕駛員狀態(tài)檢測和基于摩擦電效應(yīng)的車輛狀態(tài)監(jiān)測的自愈合、全天候、自供電智能交通監(jiān)控系統(tǒng)（圖1）。水凝膠中大量的氫鍵和動(dòng)態(tài)硼酯鍵賦予PPC應(yīng)變傳感器優(yōu)異的自愈合性能。此外，用甘油部分替代PPC中的水，使得智能交通監(jiān)控系統(tǒng)能夠全天候運(yùn)行（圖2）。基于PPC的應(yīng)變傳感器具有高達(dá)8.39的GF和快速響應(yīng)時(shí)間，可以精確監(jiān)測駕駛員手指、手腕和肘關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)，甚至通過檢測駕駛員喉嚨的吞咽頻率判斷其是否處于睡眠狀態(tài)（圖3）。此外，將PPC組裝成TENG，可以進(jìn)一步將其制備成自供電智能手環(huán)來檢測駕駛員動(dòng)作（圖4）。將PPC包埋在表面有凸起陣列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，制備成單電極TENG傳感器，可以檢測車輛的瞬時(shí)速度和質(zhì)量（圖5）。集成多個(gè)TENG傳感器，可以有效測量車輛的平均速度，判定交通事故的責(zé)任，并能防止疲勞駕駛事件的發(fā)生（圖6）。總之，自愈合、全天候、自供電智能交通監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測駕駛員和車輛的行駛狀態(tài)，在未來智能交通和城市系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 


圖1. PPC水凝膠的合成路線圖以及基于PPC的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)。 


圖2.PPC水凝膠的基本性能表征。


 圖3. PPC水凝膠基應(yīng)變傳感器的性能測試。 


圖4. PPC水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備及應(yīng)用。


 圖5. 智能交通監(jiān)測系統(tǒng)對車輛瞬時(shí)、平均車速的測量，以及進(jìn)行橋梁承重安全的檢查。


圖6. 智能交通監(jiān)控系統(tǒng)中的交通事故責(zé)任判定和疲勞駕駛事故預(yù)警。


  相關(guān)工作以“All-Weather Self-Powered Intelligent Traffic Monitoring System Based on a Conjunction of Self-Healable Piezoresistive Sensors and Triboelectric Nanogenerators”為題發(fā)表在功能材料頂級期刊Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202308845）上。論文第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生李永吉，通訊作者為北京化工大學(xué)楊丹教授、于中振教授和北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士。該論文得到了國家自然科學(xué)基金和中央高；A(chǔ)研究基金的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308845

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