近日，來自華南理工大學(xué)江賽華教授團(tuán)隊(duì)的研究人員基于同軸打印技術(shù)和摩擦電納米發(fā)電原理制造了堅(jiān)固的壓力傳感纖維，并創(chuàng)新地將其與機(jī)械手和履帶車集成，實(shí)現(xiàn)高精度物體識別和環(huán)境路況信息傳感（圖1）。同軸纖維的內(nèi)芯材料為聚二甲基硅氧烷（PDMS）和鎵銦合金（EGaIn）的高導(dǎo)電油墨（PLM），外殼材料為單組分室溫硫化硅膠（RTVS）。同軸壓力傳感纖維兼具PLM的高導(dǎo)電性和RTVS優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性，具有出色的靈敏度(4.03 V?kPa?1)、快速的響應(yīng)時(shí)間(23ms)和優(yōu)異的耐久性(超10000次循環(huán))，有效拓展了救援機(jī)械設(shè)備在極端環(huán)境中的信息收集能力，為實(shí)際救援內(nèi)攻任務(wù)提供了一種潛在的解決思路。該工作以“Robust self-encapsulated fiber integrated with rescue robots for environmental information collection”為題發(fā)表于國際能源領(lǐng)域頂級期刊《Nano Energy》，第一作者為華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生孔淇，其他共同作者為劉付超康、程家圻，文章通訊作者為華南理工大學(xué)江賽華教授。
圖1. 同軸纖維制造-性能-應(yīng)用示意圖。
由于液態(tài)金屬的高表面張力和易氧化的特點(diǎn)，同軸纖維在使用前需要經(jīng)歷活化過程，僅需一次活化即可在纖維內(nèi)部形成導(dǎo)電通路，二次活化即可形成電阻率為（6.354·10-6Ω·m）的高導(dǎo)電同軸纖維（圖2a-b）。為評估同軸纖維在極端環(huán)境中的適應(yīng)性，對同軸纖維施加拉伸、扭轉(zhuǎn)和高壓等操作后，同軸纖維均可恢復(fù)原狀，展現(xiàn)了出色的柔性和力學(xué)性能（圖c-e和支持信息）。將其置于不同惡劣環(huán)境中（紫外光照、強(qiáng)酸強(qiáng)堿和高溫高濕），同軸纖維均保持穩(wěn)定的電氣性能（圖2f和支持信息），展現(xiàn)了在極端環(huán)境中應(yīng)用的潛力。
圖2.同軸纖維環(huán)境適應(yīng)性測試。
圖3a展示了同軸壓力摩擦電納米發(fā)電機(jī)傳感器（CP-TENG）的工作原理，CP-TENG無需外接電源即可對壓力的穩(wěn)定傳感，展現(xiàn)了其獨(dú)特優(yōu)勢。除此之外，利用同軸打印技術(shù)可定制化纖維的幾何形狀，圖3f展示了具有高度梯度的螺旋形CP-TENG，實(shí)驗(yàn)證明，高度梯度的存在顯著提高了傳感器的靈敏度（圖3h）。CP-TENG在紫外光處理、酸堿溶液浸泡和高溫高濕環(huán)境中均保持一定的傳感能力，并在超10000次循環(huán)中保持穩(wěn)定性能。
圖3.CP-TENG的摩擦電性能測試。
受人類指紋啟發(fā)，制造了螺旋形CP-TENG并將其集成至機(jī)械手中，對不同形狀物體（球體、圓錐體、圓柱體和長方體）和不同材質(zhì)（木材、尼龍、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和聚氯乙烯）進(jìn)行識別（圖4a），通過提取多通道電壓信號的幅值作為特征，構(gòu)建物體形狀和材質(zhì)識別數(shù)據(jù)集。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）對物體形狀進(jìn)行識別和分類，實(shí)現(xiàn)了100%的形狀識別準(zhǔn)確率（圖4b）和98.3%的材質(zhì)識別準(zhǔn)確率（圖4c）。
圖4.物體形狀與材質(zhì)識別。
由于CP-TENG具有優(yōu)異的力學(xué)性能，將其集成到履帶車的履帶處，與地面發(fā)生接觸-分離視為一個(gè)周期（圖5a-b）。在單周期內(nèi)，周期持續(xù)時(shí)間和周期內(nèi)特征信號可作為評估路況信息的重要依據(jù)。例如，當(dāng)履帶車在光滑路面行進(jìn)時(shí)，周期持續(xù)時(shí)間為1s，周期內(nèi)沒有明顯特征信號。而在粗糙路面行進(jìn)時(shí)，周期內(nèi)呈現(xiàn)多次分離-接觸模式（圖5c-d）。還拓展研究了在遇到小型、中型和大型障礙物時(shí)CP-TENG的特征信號模式，為路況信息傳感提供了新的解決思路。
圖5.路況信息識別。
總結(jié)：該工作展示了基于堅(jiān)固同軸纖維拓展救援設(shè)備環(huán)境信息收集能力的潛在應(yīng)用，為極端環(huán)境實(shí)施救援和開展工作提供了一種新的解決思路。該工作得到廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、天津市消防安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的支持。
江賽華教授簡介：
江賽華，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授，2014年博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同年獲得香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位，曾在2017-2020年間于賓夕法尼亞大學(xué)從事博士后研究工作。研究方向主要為智能安全傳感、新能源與材料安全技術(shù)及理論研究。主持國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專題、科技部外國專家項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金、中國博士后基金、公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、廣州市科技項(xiàng)目等20余項(xiàng)科研項(xiàng)目，參與多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及973計(jì)劃項(xiàng)目。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Journal of hazardous materials、Journal of Materials Chemistry A 等國際期刊共發(fā)表 SCI 收錄論文超110篇，授權(quán)發(fā)明專利17項(xiàng)，登記軟著1項(xiàng)，省部級科技成果登記1件。研究論文得到同行的積極評價(jià)（引用數(shù)累計(jì)超過4700次，h-index 為 39）。研究成果獲中國安全生產(chǎn)協(xié)會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎、中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎等獎勵(lì)多項(xiàng)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111092
