廣西大學(xué)最新《Matter》：超彈性摩擦電氣凝膠用于駕駛疲勞預(yù)測(cè)

【研究背景】

兼具優(yōu)異彈性和抗疲勞性能的輕質(zhì)多孔氣凝膠，在軟體機(jī)器人、航空航天和柔性電子等相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。彈性決定了材料在大變形條件下的可恢復(fù)能力，而抗疲勞性能則反映了其在循環(huán)加載過(guò)程中抵抗累積損傷和結(jié)構(gòu)退化的能力。然而，在極限應(yīng)變條件下，氣凝膠的彈性與抗疲勞性存在此消彼長(zhǎng)的矛盾，這使得同時(shí)具備兩種特性成為一大挑戰(zhàn)。

仿生和結(jié)構(gòu)工程的方法被認(rèn)為是改善氣凝膠機(jī)械彈性的有效途徑。例如，通過(guò)可逆的物理相互作用構(gòu)筑柔性網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)大形變下的彈性恢復(fù)，但在循環(huán)加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)單元之間的弱相互作用易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松弛與累積損傷，表現(xiàn)為抗疲勞性能的快速衰減。借鑒天然材料的有序結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)調(diào)控結(jié)構(gòu)單元取向，已被證明有助于面內(nèi)應(yīng)力的有效分散，以實(shí)現(xiàn)氣凝膠抗疲勞性能的提高。遺憾的是，現(xiàn)有策略往往只能在某一性能維度上取得突破，仍難以在極限應(yīng)變條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高彈性和出色的抗疲勞性能。

【文章概述】

近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)受跳蚤彈性蛋白墊取向?qū)蛹?jí)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出一種共價(jià)橋接協(xié)同纖維流剪切的策略，以同時(shí)提高氣凝膠在極限應(yīng)變下的彈性和耐疲勞性。基于該策略制備的摩擦電氣凝膠，經(jīng)歷99%的壓縮應(yīng)變后可恢復(fù)性高于95%，且在90%的壓縮應(yīng)變下能承受20,000次的循環(huán)，是目前所有報(bào)道中最好的彈性材料之一。以此開(kāi)發(fā)的摩擦電裂紋傳感器表現(xiàn)出超快響應(yīng)（68 ms），并且在超過(guò)10,000次循環(huán)中保持穩(wěn)定的電信號(hào)響應(yīng)。這項(xiàng)成果以題為“Ultraelastic bioinspired triboelectric aerogels enabled by covalent bridging”發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Matter》上。2023級(jí)博士研究生趙佳敏為本研究的第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，羅斌、蒙香江、劉濤、張松、王金龍、遲明超、蔡晨晨、劉艷華、于康等參與研究，廣西大學(xué)為唯一完成單位。

論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102770

【圖文導(dǎo)讀】

1. 仿生設(shè)計(jì)靈感

自然界中，跳蚤展現(xiàn)出了令人驚嘆的運(yùn)動(dòng)能力，其垂直跳躍高度可達(dá)自身身體長(zhǎng)度的數(shù)百倍。這一卓越運(yùn)動(dòng)性能，是依賴于后腿基部特有的彈性蛋白墊作為能量存儲(chǔ)與釋放單元。該彈性蛋白墊能夠在高頻、反復(fù)壓縮—回彈循環(huán)過(guò)程中長(zhǎng)期保持結(jié)構(gòu)完整性而不發(fā)生疲勞失效。這一優(yōu)異力學(xué)表現(xiàn)主要?dú)w功于其內(nèi)部高度取向且具有層級(jí)分布的微觀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅有利于在動(dòng)態(tài)載荷下實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的快速分散，還能夠在大變形過(guò)程中有效抑制局部應(yīng)力集中，從而確保跳蚤在數(shù)以萬(wàn)次的跳躍過(guò)程保持穩(wěn)定。通過(guò)模仿跳蚤彈性蛋白墊的高取向?qū)蛹?jí)結(jié)構(gòu)，利用共價(jià)橋接協(xié)同納米纖維流剪切策略，獲得的仿生摩擦電氣凝膠在超大應(yīng)變條件下仍表現(xiàn)出近乎完全的彈性恢復(fù)能力和卓越的抗疲勞特性。

圖1. 仿生摩擦電氣凝膠的設(shè)計(jì)靈感。

2. 共價(jià)橋接協(xié)同纖維流剪切策略

將三氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）共價(jià)接枝在無(wú)序的TEMPO氧化納米纖維素纖維（TOCNF）上，接著通過(guò)同樣的縮合反應(yīng)橋接氧化石墨烯納米片，以此在兩者之間形成穩(wěn)定的“共價(jià)鍵橋梁”。隨后，納米纖維素在流體剪切力的作用下發(fā)生流動(dòng)。根據(jù)流變學(xué)的經(jīng)典理論研究，在外力作用下假塑性流體流動(dòng)時(shí)，散亂的鏈狀分子因受到層流的剪切力作用，構(gòu)象被迫發(fā)生改變，發(fā)生剪切稀化行為。這種剪切力往往會(huì)使聚合物鏈沿著流動(dòng)方向?qū)R，體系的構(gòu)象熵減小，黏度降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該氣凝膠前驅(qū)液符合經(jīng)典假塑性流體的流變特性，纖維素納米纖維在流體剪切過(guò)程中可以通過(guò)“共價(jià)橋梁”誘導(dǎo)氧化石墨烯納米片實(shí)現(xiàn)對(duì)齊。

圖2. 共價(jià)橋接協(xié)同纖維流剪切策略。

3. 仿生結(jié)構(gòu)賦予的機(jī)械韌性

通過(guò)對(duì)摩擦電氣凝膠機(jī)械特性的測(cè)試，可以分析其仿生結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)。原位掃描電子顯微鏡與有限元分析結(jié)合，直觀地顯示出氣凝膠在壓縮-釋放循環(huán)過(guò)程中片層及其微觀結(jié)構(gòu)的變化。循環(huán)壓縮測(cè)試結(jié)果表明，摩擦電氣凝膠經(jīng)歷99%的壓縮應(yīng)變后可恢復(fù)性高于95%，且在90%的應(yīng)變下能承受20,000次的循環(huán)壓縮。

圖3. 仿生結(jié)構(gòu)賦予的機(jī)械韌性。

4. 摩擦電裂紋傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

基于接觸起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合，本文以仿生摩擦電氣凝膠為核心材料設(shè)計(jì)出一種靈敏的摩擦電裂紋傳感器。該摩擦電裂紋傳感器展現(xiàn)出對(duì)兩種不同壓力范圍的適應(yīng)性。在壓力區(qū)間0.3 kPa-2.1 kPa時(shí)，靈敏度為1.85 kPa-1，當(dāng)壓力大于2.4 kPa時(shí)，摩擦電裂紋傳感器展現(xiàn)出高水平的靈敏度（8.49 kPa-1）和極高的線性相關(guān)度（R2=0.995）。響應(yīng)時(shí)間是分析傳感器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，該摩擦電裂紋傳感器的響應(yīng)時(shí)間為68 ms，這要比人類對(duì)外界壓力刺激的響應(yīng)時(shí)間更快（139 ms）。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作過(guò)程中，傳感信號(hào)的穩(wěn)定至關(guān)重要。在經(jīng)歷大于10,000次的循環(huán)測(cè)試后，傳感器的電信號(hào)響應(yīng)沒(méi)有顯著變化。

圖4. 與仿生結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的摩擦電傳感機(jī)制。

每年有數(shù)百萬(wàn)人葬身于交通事故，而疲勞駕駛是導(dǎo)致交通事故頻發(fā)的主要人為因素。疲勞檢測(cè)方法主要分為三類：車輛特征、駕駛員的身體特征和生物學(xué)特征。本文拓展設(shè)計(jì)了一種用于預(yù)測(cè)疲勞駕駛的集成式摩擦電裂紋傳感器。該系統(tǒng)完整的設(shè)計(jì)思路如圖5所示，集成式摩擦電裂紋傳感器可分別收集駕駛員的生理信號(hào)，包括心率、手腕和腳踝的活動(dòng)，這些信號(hào)綜合分析可以客觀反應(yīng)駕駛員的駕駛狀態(tài)。隨后，將收集到的信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變化（STFT）并將獲得的時(shí)頻圖進(jìn)行多模態(tài)特征融合。具體而言，將彩色時(shí)頻圖轉(zhuǎn)換為單通道灰度圖，隨后沿通道維度拼接生成一個(gè)融合的RGB圖像，每個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)通道。結(jié)合預(yù)訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員駕駛狀態(tài)的識(shí)別。

圖5. 集成式摩擦電裂紋傳感器用于駕駛疲勞預(yù)測(cè)。

【結(jié)論】

本文通過(guò)共價(jià)橋接協(xié)同流體剪切策略設(shè)計(jì)了一種高性能仿生摩擦電氣凝膠。該氣凝膠展現(xiàn)出卓越的機(jī)械性能，尤其值得注意的是，在極限壓縮應(yīng)變下仍具備出色的彈性和抗疲勞性能。此外，基于該氣凝膠制備的摩擦電裂紋傳感器表現(xiàn)出高水平的靈敏度、快速的響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間以及長(zhǎng)久的使用壽命，這為疲勞駕駛預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。該仿生策略有望在生物醫(yī)藥工程、生理健康監(jiān)測(cè)以及柔性電子學(xué)等領(lǐng)域推動(dòng)結(jié)構(gòu)工程材料的應(yīng)用。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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