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    寧波材料所在抗凍有機凝膠摩擦納米發電機用于可穿戴人機交互方面取得進展
    作者:,日期:2021-10-19

      便攜、柔性的人機交互器件在物聯網、智能機器人等領域具有重要的作用,用戶能夠通過它們完成與系統的信息交換,或向系統發送指令。受生命體通過離子定向遷移傳遞生理電信號的啟發,離子導電水凝膠材料被廣泛應用于設計制作柔性可拉伸電子器件。然而水凝膠中的水在低溫環境下會結冰,導致材料變脆,離子電導率下降,制約了其適用溫度范圍。如何設計耐低溫柔性導電凝膠,并在此基礎上制作具有廣泛應用前景的智能人機交互器件仍是一個挑戰。

      近期,中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊基于在聚合物凝膠領域長期研究基礎(Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 21890; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 3640; ACS Nano, 2021, 15 , 10415; Mater. Horiz., 2021,8, 2761; Adv. Mater, 2020, 32, 2004290; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59,19237; Angew. Chem. Int.Ed., 2019, 58, 16243; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Research, 2019, 238434等),受樹蛙等抗凍生物的啟發,開發了一種基于有機凝膠的人機交互材料與器件。

      該工作通過溶劑置換的方法設計了一種由聚丙烯酰胺/納米粘土交聯網絡和乙二醇/水二元溶劑為分散介質組成的有機凝膠(圖1)。納米粘土在作為物理吸附交聯點的同時還提供了可移動的自由離子,使其具有離子導電性。乙二醇的引入賦予了該有機凝膠良好的抗凍性能,包括-0 ℃下良好的可拉伸性(700%)、離子電導率(1.5×10-3 S m-1)、透明度(91%)以及自修復性。進一步以有機凝膠為電極與彈性體組裝制備了摩擦納米發電機(TENG),得益于有機凝膠良好的抗凍性能,該有機凝膠TENG在-30 ℃仍保留了良好的發電性能。將其進一步附著在手指上開發了一種可穿戴的人機交互鍵盤。TENG在與其他物體接觸分離的過程中能夠產生相應的電壓信號,這些電壓信號被收集、編碼,最終能夠將對應文字信息顯示在顯示器上(圖2)。本工作為凝膠材料在人機交互領域的應用提供了新的思路。

      該工作以“Anti-freezing Organohydrogel Triboelectric Nanogenerator toward Highly Efficient and Flexible Human-machine Interaction at -30 ℃”為題發表在Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106614。本研究得到了國家自然科學基金(51773215)、中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-SLH036)、浙江省自然科學基金(LY21E030013)、寧波市科技創新2025重大項目(2018B10057、2020Z022)、寧波市自然科學基金(202003N4359)、中德合作國際交流項目(M-0424)以及王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。

    圖1 基于有機凝膠的人機交互設備制備及工作原理示意圖

    圖2 基于有機凝膠的人機交互設備的應用展示

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