研究背景

隨著時代發展，使用智能機器和機器人取代傳統人力已成為一種趨勢。對于機械儀器來說，對其工作狀態的實時準確監測變得非常重要，因此特別需要多功能、高性能的傳感器來滿足這些要求。對于高負載和寒冷環境中的操作，傳統的能源供應設備在維持機械變形和快速電池放電方面面臨困難，導致嚴重的能源供應故障。柔性摩擦納米發電機（TENG）作為一種新型的自供電能量轉換裝置近年來受到廣泛關注。導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，為了監測在惡劣環境中工作的大型機械機器人，仍迫切需要提高水凝膠電極在極低溫度下的機械強度和導電性。

文章概述

四川大學化學學院環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室宋飛教授團隊近期報道了一種二元納米材料功能化方法，以開發一種防凍可拉伸的導電納米復合有機水凝膠（CMPG）。利用一維纖維素納米纖維與二維材料MXene的幾何協同和分子相互作用以及溶劑置換的策略，賦予CMPG在-20°C環境下良好的機械性能（2.7 MPa和820%）和導電性（6.2 S/m）。用硅橡膠封裝后，CMPG可用于構建TENG，其在5×107Ω的負載電阻和40N的壓力下具有約120mW m-2的峰值功率密度，并可在-20°C下穩定運行超過15000次。該TENG可以作為一種自供電傳感器，用于監測低溫下的機器手抓取狀態。通過無線傳輸識別實時電信號，可以區分抓取物體的大小和材質，在氣候下監測智能機器人系統方面展示出良好的應用前景。

展示了一種防凍、高機械性能和導電的CMPG作為自供電傳感器的電極，在極冷的環境中進行信號采集和傳輸。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表現出3.2MPa的高機械強度和8.7S/m的高電導率。即使在極冷的環境中（<-20°C），這些性能仍能保持71%以上。CMPG被進一步展示用于構建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下穩定運行至少15000次循環。這些功能使TENG能夠作為一種自供電傳感器應用，用于監測機械手的工作狀態，并通過藍牙傳輸實時電壓信號來識別抓取物體的不同尺寸和材質。這些發現為設計用于環境中機器監測的自供電、可拉伸和耐低溫傳感器提供了一個新的視角。

來源：傳感器專家網