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四川大學(xué)宋飛教授團(tuán)隊(duì) CEJ：基于防凍可拉伸有機(jī)水凝膠電極的自供電傳感器用于低溫下機(jī)器手運(yùn)行監(jiān)測(cè)
2023-11-16  來(lái)源：高分子科技

  隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)、礦產(chǎn)開(kāi)采、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中使用智能機(jī)器人取代傳統(tǒng)人力已成為一種趨勢(shì)。因而，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)顯得尤為重要，迫切需要開(kāi)發(fā)多功能、高性能的傳感器來(lái)滿足這一需求。近年來(lái)，柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為一種新型自供電能量轉(zhuǎn)換裝置，因其重量輕、成本低、無(wú)需外部電池供電等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。然而，作為TENG的關(guān)鍵模塊，電極材料的可拉伸性與極端低溫耐受性是影響應(yīng)用的關(guān)鍵因素，相關(guān)性能仍亟需提升。


  四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院環(huán)保型高分子材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室宋飛教授團(tuán)隊(duì)近期報(bào)道了一種二元納米材料功能化方法，開(kāi)發(fā)了一種防凍、高拉伸和高機(jī)械強(qiáng)度的導(dǎo)電納米復(fù)合聚乙烯醇有機(jī)水凝膠（CMPG）。其中，一維纖維素納米纖維可以賦予有機(jī)水凝膠高機(jī)械性能（3.2 MPa和866%），而且其可通過(guò)與二維材料MXene的幾何協(xié)同和分子相互作用提供高電導(dǎo)性能（8.7 S/m）。該CMPG在-20°C環(huán)境中仍可保持良好的機(jī)械性能（2.7 MPa和820%）和導(dǎo)電性（6.2 S/m）。利用該CMPG構(gòu)建的TENG表現(xiàn)出~120 mW m-2的峰值功率密度，且可在-20 °C下穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)15000次。該TENG可用于自供電監(jiān)測(cè)機(jī)器手的工作狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線傳輸獲得實(shí)時(shí)電信號(hào)，區(qū)分機(jī)器手抓取物體的大小和材質(zhì)，在智能機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。



圖1.防凍可拉伸有機(jī)水凝膠基TENG的構(gòu)建及自供電監(jiān)測(cè)機(jī)器手工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)。



圖2.有機(jī)水凝膠在低溫下的力學(xué)性能和導(dǎo)電性。



圖3. 有機(jī)水凝膠基TENG自供電監(jiān)測(cè)機(jī)器手低溫工作狀態(tài)的應(yīng)用展示。


  該工作以“Binary-1D/2D nanomaterial-functionalization toward strong, stretchable, and anti-freezing electrically conductive organohydrogels for self-powered operation monitoring of robotic hand”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。論文第一作者是四川大學(xué)碩士生周潔，通訊作者是宋飛教授。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U21A2096)和高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室探索項(xiàng)目支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147317

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