溫度傳感器作為人工智能技術(shù)與可穿戴設(shè)備的重要支撐，已廣泛應(yīng)用于智能制造、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康、智能交通與智慧家居等關(guān)鍵領(lǐng)域。傳感器的穩(wěn)定性是衡量其可靠性與實(shí)用性的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響靈敏度、響應(yīng)速度、工作壽命及極端環(huán)境適應(yīng)能力，對(duì)于數(shù)據(jù)采集與連續(xù)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。然而，溫度傳感器在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中常面臨多變外界條件的干擾，尤其是水汽、粉塵以及不良工況等條件，易引發(fā)傳感材料的性能衰退，甚至導(dǎo)致傳感功能失效。開(kāi)發(fā)兼具高機(jī)械強(qiáng)度和防潮能力的材料是提升傳感穩(wěn)定性的關(guān)鍵，對(duì)于傳感器在復(fù)雜和極端工況下的穩(wěn)定運(yùn)行能力具有重要意義。

【文章概述】

近日，聶雙喜教授課題組受河豚骨刺的啟發(fā)，提出一種將剛性金屬骨架嵌入柔性纖維素網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)策略，構(gòu)筑了一種兼顧強(qiáng)度和超疏水的多孔摩擦電材料。纖維素預(yù)先通過(guò)低表面能的硅烷處理，使得摩擦電材料的水接觸角達(dá)154.2°。摩擦電材料的孔隙率為86.2%，同時(shí)楊氏模量達(dá)117 MPa，其機(jī)械魯棒性超越了現(xiàn)有超疏水多孔摩擦電材料的相關(guān)報(bào)道。利用摩擦電材料組裝的可穿戴溫度傳感器在極端濕度、強(qiáng)紫外輻射和強(qiáng)應(yīng)力環(huán)境下輸出穩(wěn)定。結(jié)合無(wú)線傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)，傳感器實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程可視化反饋，溫度感知的準(zhǔn)確率達(dá)98.4%。這項(xiàng)研究有利于解決超疏水多孔材料機(jī)械性能不足的顯著挑戰(zhàn)，并為構(gòu)建環(huán)境魯棒性可穿戴傳感器開(kāi)辟新的突破口。

【圖文導(dǎo)讀】

1．仿生纖維素摩擦電材料的設(shè)計(jì)

河豚的骨刺在形態(tài)上呈三角錐形或針狀，是一種具備出色力學(xué)性能的外框防護(hù)結(jié)構(gòu)。河豚在受到外界威脅時(shí)膨脹身體使骨刺外翻，形成密集的“防護(hù)層”，顯著提升了其抗穿刺和抗撕裂性能。受此現(xiàn)象啟發(fā)，這項(xiàng)工作在硅烷改性纖維素的網(wǎng)絡(luò)中嵌入三角錐形堆疊結(jié)構(gòu)的金屬框架，開(kāi)發(fā)了一種堅(jiān)固的超疏水摩擦電材料。這種復(fù)合框架結(jié)構(gòu)賦予材料優(yōu)異的耐磨屬性，即使經(jīng)歷數(shù)千次磨損材料仍保持優(yōu)異的疏水能力。材料的疏水性能還經(jīng)受住極端環(huán)境（極寒、輻射）的損耗，所構(gòu)筑的傳感器在極端濕度、紫外輻射和高應(yīng)力沖擊作用下輸出穩(wěn)定。

圖1. 仿生纖維素摩擦電材料的概念與性能

2．纖維素摩擦電材料的多孔結(jié)構(gòu)特征與性能

纖維素采用甲氧基三甲基硅烷改性處理，賦予纖維素疏水基團(tuán)。隨后利用溶劑輔助超聲振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)改性纖維素溶液進(jìn)入并包裹金屬框架，并利用冷凍干燥處理保留纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。測(cè)試證實(shí)了多孔摩擦電材料的成功合成，并且材料的水接觸角達(dá)到154.2°，液滴長(zhǎng)時(shí)間附著在材料表面也并不會(huì)滲透，同時(shí)經(jīng)過(guò)酸性與堿性溶液浸泡也依舊疏水，證明材料的疏水性能在長(zhǎng)時(shí)間潤(rùn)濕下依舊保持穩(wěn)定。

圖2. 摩擦電材料的結(jié)構(gòu)特征

3．摩擦電材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)增強(qiáng)機(jī)制

采用有限元模擬分析金屬框架類三叉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要集中在分叉口，表明材料的形變或斷裂易發(fā)生在金屬框架的交叉節(jié)點(diǎn)。通過(guò)使用橡膠磨輪在200 g載荷下經(jīng)過(guò)4000次摩擦循環(huán)后材料仍可保持144°的靜態(tài)水接觸角。即使經(jīng)過(guò)極端磨損測(cè)試（如汽車碾壓和鋼絲球摩擦）和150℃的高溫度環(huán)境中，材料仍保持良好的疏水性能。機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果證明，摩擦電材料的機(jī)械性能超越了現(xiàn)有多孔超疏水摩擦電材料的相關(guān)報(bào)道，甚至優(yōu)于大多數(shù)超疏水多孔結(jié)構(gòu)材料。

圖3. 摩擦電材料的力學(xué)性能

4．環(huán)境魯棒性傳感器的性能評(píng)估

基于摩擦電材料的堅(jiān)固且耐磨性能，將其與高得電子能力的聚全氟乙丙烯（FEP）配對(duì)構(gòu)建摩擦納米發(fā)電機(jī)。在一個(gè)工作周期內(nèi)，摩擦納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為64 ms和78 ms，證明摩擦納米發(fā)電機(jī)具備快速響應(yīng)的工作潛力。材料自身熱電子發(fā)射現(xiàn)象為響應(yīng)環(huán)境溫度變化提供了有效途徑。環(huán)境溫度從25℃升溫至200℃時(shí)，摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生輸出顯著衰減，這表明該裝置有望成為反饋溫度變量的傳感器。為了評(píng)估環(huán)境和工作條件對(duì)傳感器的干擾，測(cè)試了濕度、紫外輻射、應(yīng)力強(qiáng)度和頻率對(duì)輸出影響。測(cè)試結(jié)果表明，傳感器有利于屏蔽環(huán)境因素的干擾，具備獨(dú)特的溫度響應(yīng)能力。

圖4. 摩擦電材料的溫度響應(yīng)能力

5．用于高溫觸覺(jué)感知的無(wú)線傳感系統(tǒng)

溫度傳感器被分別集成在機(jī)械手的五個(gè)指尖上，形成一個(gè)用于識(shí)別未知物體的智能觸覺(jué)系統(tǒng)。利用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以從多通道的觸摸信號(hào)中提取細(xì)微的差異和復(fù)雜的特征，從而提供識(shí)別準(zhǔn)確率，深度學(xué)習(xí)使得傳感器對(duì)溫度的平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到98.4%。研究結(jié)果表明，疏水耐磨的摩擦電材料可以準(zhǔn)確反饋觸摸溫度變化，并具有構(gòu)建通用性觸覺(jué)感知平臺(tái)的潛在優(yōu)勢(shì)。

圖5. 可穿戴智能傳感器

【總結(jié)】

研究報(bào)道了一種堅(jiān)固且超疏水的纖維素基摩擦電材料，并開(kāi)發(fā)了一種環(huán)境自持的高溫觸覺(jué)傳感器。摩擦電材料兼具優(yōu)異的機(jī)械性能、耐磨性和疏水性能，即使承受-196℃和高壓沖擊場(chǎng)景下，摩擦電材料的疏水性能仍保持穩(wěn)定。得益于摩擦電材料優(yōu)異的機(jī)械魯棒性，傳感器在高濕度、高紫外輻射、高應(yīng)力作用下傳感信號(hào)穩(wěn)定。結(jié)合無(wú)線傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)，成功集成開(kāi)發(fā)了一種可穿戴觸覺(jué)感知系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了溫度信息的實(shí)時(shí)觸摸反饋。這項(xiàng)研究為可穿戴傳感器邁向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供理論參考，同時(shí)為新興傳感器的設(shè)計(jì)提供一種可借鑒的思路。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202518525

來(lái)源：能源學(xué)人