四川大學(xué)：防凍可拉伸有機(jī)水凝膠電極用于低溫下機(jī)器手運(yùn)行監(jiān)測(cè)的自供電傳感器

研究背景

隨著時(shí)代發(fā)展，使用智能機(jī)器和機(jī)器人取代傳統(tǒng)人力已成為一種趨勢(shì)。對(duì)于機(jī)械儀器來說，對(duì)其工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)變得非常重要，因此特別需要多功能、高性能的傳感器來滿足這些要求。對(duì)于高負(fù)載和寒冷環(huán)境中的操作，傳統(tǒng)的能源供應(yīng)設(shè)備在維持機(jī)械變形和快速電池放電方面面臨困難，導(dǎo)致嚴(yán)重的能源供應(yīng)故障。柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為一種新型的自供電能量轉(zhuǎn)換裝置近年來受到廣泛關(guān)注。導(dǎo)電水凝膠由于其可拉伸特性，已成為制備柔性TENG的理想電極材料。然而，為了監(jiān)測(cè)在惡劣環(huán)境中工作的大型機(jī)械機(jī)器人，仍迫切需要提高水凝膠電極在極低溫度下的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性。

文章概述

四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院環(huán)保型高分子材料國家地方聯(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，以開發(fā)一種防凍可拉伸的導(dǎo)電納米復(fù)合有機(jī)水凝膠（CMPG）。利用一維纖維素納米纖維與二維材料MXene的幾何協(xié)同和分子相互作用以及溶劑置換的策略，賦予CMPG在-20°C環(huán)境下良好的機(jī)械性能（2.7 MPa和820%）和導(dǎo)電性（6.2 S/m）。用硅橡膠封裝后，CMPG可用于構(gòu)建TENG，其在5×107Ω的負(fù)載電阻和40N的壓力下具有約120mW m-2的峰值功率密度，并可在-20°C下穩(wěn)定運(yùn)行超過15000次。該TENG可以作為一種自供電傳感器，用于監(jiān)測(cè)低溫下的機(jī)器手抓取狀態(tài)。通過無線傳輸識(shí)別實(shí)時(shí)電信號(hào)，可以區(qū)分抓取物體的大小和材質(zhì)，在氣候下監(jiān)測(cè)智能機(jī)器人系統(tǒng)方面展示出良好的應(yīng)用前景。

展示了一種防凍、高機(jī)械性能和導(dǎo)電的CMPG作為自供電傳感器的電極，在極冷的環(huán)境中進(jìn)行信號(hào)采集和傳輸。得益于兩種納米材料（1D CNFs和2D MXene）之間的相互作用和幾何比例，CMPG表現(xiàn)出3.2MPa的高機(jī)械強(qiáng)度和8.7S/m的高電導(dǎo)率。即使在極冷的環(huán)境中（<-20°C），這些性能仍能保持71%以上。CMPG被進(jìn)一步展示用于構(gòu)建TENG，其顯示出120 mW m-2的功率密度。由于CMPG的韌性，TENG可以在-20°C下穩(wěn)定運(yùn)行至少15000次循環(huán)。這些功能使TENG能夠作為一種自供電傳感器應(yīng)用，用于監(jiān)測(cè)機(jī)械手的工作狀態(tài)，并通過藍(lán)牙傳輸實(shí)時(shí)電壓信號(hào)來識(shí)別抓取物體的不同尺寸和材質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)用于環(huán)境中機(jī)器監(jiān)測(cè)的自供電、可拉伸和耐低溫傳感器提供了一個(gè)新的視角。

來源：傳感器專家網(wǎng)