聶雙喜教授最新AM：可拉伸摩擦電氣凝膠用于智能汽車座椅！

研究背景

氣凝膠具有高孔隙率、低密度及隔熱等獨(dú)特性能，使其成為頗具潛力的摩擦電傳感材料。然而，無序多孔結(jié)構(gòu)會(huì)削弱內(nèi)部相互作用，從而降低材料在應(yīng)變下的機(jī)械強(qiáng)度。無序孔隙結(jié)構(gòu)阻礙了氣凝膠在拉伸載荷下通過整體結(jié)構(gòu)形變來分散應(yīng)力，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中而誘發(fā)不可逆的塑性變形。冷凍鑄造法已被廣泛用于構(gòu)筑具有取向孔隙結(jié)構(gòu)的氣凝膠。由于冰晶沿溫度梯度方向生長，傳統(tǒng)冷凍鑄造只能制備垂直于冷源平面的取向結(jié)構(gòu)；在與冷源平行的面內(nèi)，冰晶仍處于高度無序狀態(tài)，導(dǎo)致拉伸過程中無法有效耗散應(yīng)力。在氣凝膠三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)取向多孔結(jié)構(gòu)仍是一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是制約其拉伸性能提升的主要障礙。

文章概述

近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)受肌肉纖維取向結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過控制冰晶生長開發(fā)了一種超拉伸芳綸摩擦電氣凝膠。該摩擦電氣凝膠的取向擬合度達(dá)到98%，是傳統(tǒng)冷凍鑄造方法的2.6倍。這種有序結(jié)構(gòu)分散了拉應(yīng)力，使摩擦電氣凝膠能夠承受539%的拉伸應(yīng)變。基于這種氣凝膠，設(shè)計(jì)了具有振動(dòng)反饋功能的摩擦電傳感陣列。結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了對駕駛行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測與振動(dòng)反饋預(yù)警。該研究為智能駕駛系統(tǒng)識(shí)別和糾正不安全駕駛行為提供了策略。該項(xiàng)成果以題為“Bioinspired Ultrastretchable Aramid Triboelectric Aerogels for Intelligent Vehicle Seat”發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》上。博士后遲明超為本文第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，林梓熙、張松、劉濤、劉艷華、蔡晨晨、羅斌、王金龍、于康、羅啟觀等參與研究。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.73549

圖文導(dǎo)讀
1.可拉伸摩擦電氣凝膠的設(shè)計(jì)思路

大自然為制備高性能材料提供了豐富的靈感來源。骨骼肌組織由高度有序排列的肌纖維束構(gòu)成。肌纖維束包含大量平行于肌肉長軸取向的肌原纖維，這種分級有序結(jié)構(gòu)能夠抑制形成局部應(yīng)力。受骨骼肌有序結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們開發(fā)了一種具有取向多孔結(jié)構(gòu)的可拉伸芳綸摩擦電氣凝膠。利用濕潤性限域表面誘導(dǎo)冰晶在親水區(qū)域內(nèi)優(yōu)先成核和生長，使氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的取向擬合度達(dá)到98%。有序的孔結(jié)構(gòu)在拉伸過程中能夠有效分散應(yīng)力，使氣凝膠實(shí)現(xiàn)了539%的極限拉伸應(yīng)變和706 kPa的拉伸強(qiáng)度。基于這種氣凝膠，我們設(shè)計(jì)了一種適用于汽車座椅、具有振動(dòng)反饋功能的摩擦電傳感陣列。結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測駕駛姿態(tài)并提供振動(dòng)反饋預(yù)警。

圖1. 芳綸纖維氣凝膠功能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.界面潤濕性調(diào)控機(jī)制

濕潤性的差異對于冰晶成核順序至關(guān)重要。因此，構(gòu)建具有取向多孔結(jié)構(gòu)氣凝膠的核心挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)具有親疏水性交替的濕潤性限域表面。濕潤性限域表面由親水性的氧化銅和圖案化的氟乙烯丙烯共聚物（FEP）組成。處理后的氧化銅的接觸角為41°，圖案化的FEP薄膜接觸角為128°。親水與疏水區(qū)的接觸角差達(dá)到87°，較大的潤濕性差異有利于增加不同區(qū)域冰晶成核的時(shí)間差。為了直接觀察濕潤性限域表面的交替濕潤性，原位觀察了水滴在表面的擴(kuò)散行為。當(dāng)液滴沉積到表面時(shí)，它沒有表現(xiàn)出表面張力形成的典型球形輪廓，而是迅速沿著親水區(qū)向外擴(kuò)散，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同證實(shí)了濕潤性限域表面的成功構(gòu)筑。

圖2. 濕潤性限域表面的制備

3.取向結(jié)構(gòu)氣凝膠的構(gòu)筑

為了研究冰晶生長過程，在顯微鏡下觀察了漿料的冷凍過程。在冷凍鑄造前，漿料呈現(xiàn)半透明狀態(tài)，清晰可見底層的濕性限域表面。冷凍鑄造過程中，冰晶生長將芳綸納米纖維和水性聚氨酯（WPU）等聚合物從漿液中擠出至間隙空間，分散液的透明度顯著降低，并沉淀成白色聚合物聚集體。冰晶優(yōu)先在潤濕性限域表面的親水區(qū)內(nèi)成核并生長，直到整個(gè)親水區(qū)被填滿。由于成核時(shí)間滯后，疏水區(qū)的冰生長進(jìn)展較慢。這種差異化的冰生長行為可歸因于冷卻表面濕潤性的變化。為驗(yàn)證受潤濕性限域表面在冷凍鑄造過程中的有效性，系統(tǒng)分析了氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。由受潤濕性限域表面構(gòu)造的氣凝膠展現(xiàn)出明顯的有序孔隙結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)冷凍鑄造產(chǎn)生的無序結(jié)構(gòu)完全不同。

圖3. 芳綸纖維氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)

4.氣凝膠的機(jī)械性能

材料的微觀結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。通過應(yīng)力-應(yīng)變測試分析了取向結(jié)構(gòu)對氣凝膠拉伸性能的影響。在相同的漿料組分下，未經(jīng)處理的銅片和濕性限域表面分別作為冷基底進(jìn)行凍鑄，分別構(gòu)筑了無序結(jié)構(gòu)的氣凝膠和取向多孔氣凝膠。與無序結(jié)構(gòu)氣凝膠相比，取向多孔氣凝膠的最大拉伸應(yīng)變從250%提升到539%。這表明取向多孔結(jié)構(gòu)顯著提升了氣凝膠的可延展性。為進(jìn)一步突出氣凝膠的可拉伸性，將其與成分相似的可拉伸氣凝膠進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在最大拉伸應(yīng)變方面，取向多孔氣凝膠顯著優(yōu)于先前報(bào)道的氣凝膠。此外，系統(tǒng)性比較近期報(bào)道的氣凝膠基摩擦電材料顯示，芳綸摩擦電氣凝膠在可拉伸性方面具有明顯優(yōu)勢。

圖4. 取向結(jié)構(gòu)氣凝膠的機(jī)械性能

5.摩擦電傳感陣列的工作機(jī)制

可伸縮傳感裝置可以有效適應(yīng)汽車座椅的變形，從而精確捕捉駕駛員姿勢變化產(chǎn)生的電信號。將可伸縮氣凝膠粘附在蛇形電極上，作為正摩擦電材料，而聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作為負(fù)摩擦電材料，形成帶有振動(dòng)反饋的集成摩擦電傳感陣列。采用疏水PDMS封裝的摩擦電傳感器在潮濕條件下能保持相對穩(wěn)定的電信號，在長期循環(huán)測試中不會(huì)出現(xiàn)衰減。基于產(chǎn)生的電信號波形和響應(yīng)點(diǎn)的空間分布，系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測頭部運(yùn)動(dòng)和姿勢。該接口由八個(gè)獨(dú)立層模式的TENG組成（T1–T8），它們被分為四個(gè)傳感單元（U1：T4–T5;U2：T3，T6;U3：T1–T2;U4：T7–T8）（圖5b）。此外，每個(gè)感應(yīng)單元都連接到繼電器和振動(dòng)執(zhí)行器，單元產(chǎn)生的電壓信號控制繼電器的切換，產(chǎn)生不同振動(dòng)模式的機(jī)械反饋。

圖5. 摩擦電傳感陣列的結(jié)構(gòu)及性能

6.摩擦電傳感陣列的應(yīng)用

隨著智能車輛的快速發(fā)展，車載傳感器在監(jiān)測疲勞駕駛、環(huán)境感知方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并成為汽車智能轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動(dòng)力。為了實(shí)現(xiàn)駕駛員姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，一個(gè)連接到多通道藍(lán)牙設(shè)備的摩擦電傳感陣列被集成在安全座椅的三個(gè)位置：頭枕、左側(cè)和右側(cè)。這形成了一個(gè)無線監(jiān)測系統(tǒng)，用于識(shí)別駕駛姿勢。傳感陣列產(chǎn)生的電信號可通過藍(lán)牙傳輸至車載智能終端，通過分析以確定駕駛員的姿勢。當(dāng)駕駛員保持直立姿勢時(shí)，頭枕感應(yīng)界面記錄來自兩個(gè)單元的信號，而左右兩側(cè)的所有感應(yīng)單元?jiǎng)t記錄來自背部壓力的電壓信號。當(dāng)駕駛員疲勞時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低頭和前傾等動(dòng)作，使頭枕界面難以檢測信號，左右界面的部分單元記錄電信號。為進(jìn)一步提升信號識(shí)別準(zhǔn)確性，頭枕傳感器數(shù)據(jù)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）深度學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練。結(jié)果表明基于CNN的模型在頭枕運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了平均98%的識(shí)別準(zhǔn)確率。

圖6. 用于駕駛姿勢監(jiān)測和警報(bào)的摩擦電傳感陣列

總結(jié)

受骨骼肌組織有序結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本研究通過程序化控制冰晶生長，開發(fā)了一種具有取向多孔結(jié)構(gòu)的超可拉伸氣凝膠。該氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了98%的最優(yōu)取向擬合度。有序的孔結(jié)構(gòu)在拉伸過程中有效分散了應(yīng)力，使其最大拉伸應(yīng)變達(dá)到539%，拉伸強(qiáng)度達(dá)到706 kPa。基于這種可拉伸氣凝膠，開發(fā)了具有振動(dòng)反饋功能的摩擦電傳感陣列。該傳感陣列通過無線方式將信號傳輸至車載終端，用于駕駛姿態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警。通過集成深度學(xué)習(xí)技術(shù)，該傳感陣列對于駕駛員坐姿的平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到98%。這種高拉伸性的取向多孔氣凝膠克服了氣凝膠固有的弱連接問題，為其在柔性智能傳感器中的進(jìn)一步應(yīng)用鋪平了道路。

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

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