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- 四川大學(xué)張新星團(tuán)隊(duì)AFM：光電雙輸出可視化機(jī)械傳感器！
- 來源：高分子科學(xué)前沿 發(fā)表于 2023/2/28
生物對(duì)外界刺激的響應(yīng)往往多種多樣，比如在鞭毛藻內(nèi)發(fā)生一系列連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件，包括動(dòng)作電位的變化、質(zhì)子遷移和熒光素的釋放，使得鞭毛藻在應(yīng)對(duì)膜干擾時(shí)產(chǎn)生顯著的藍(lán)色閃光。又或者神經(jīng)元電位控制，頭足類動(dòng)物的皮膚表現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的顏色/模式。生物體中這些信號(hào)的激活往往只需要低至幾Pa到幾kPa的刺激，并在瞬間完成，使實(shí)時(shí)和高度敏感的機(jī)械感知成為可能。模擬生物機(jī)械感應(yīng)的視覺反饋已經(jīng)引起了科學(xué)界相當(dāng)大的興趣，促進(jìn)了智能傳感器和光學(xué)顯示器的發(fā)展。然而，模仿這種同時(shí)具備機(jī)械感應(yīng)和光學(xué)反饋的傳感器仍然具有挑戰(zhàn)性。
近期，四川大學(xué)張新星團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可以實(shí)現(xiàn)電/光雙輸出的生物啟發(fā)機(jī)械傳感器。該傳感器具有機(jī)械發(fā)光/摩擦電分層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)地感知壓力和模式顯示。研究還發(fā)現(xiàn)界面摩擦電場(chǎng)對(duì)發(fā)光輸出和壓力可視化有促進(jìn)作用。所開發(fā)的機(jī)械傳感器具有自功率、雙信號(hào)和實(shí)時(shí)模式的感覺行為，具有低力檢測(cè)限（0.082 N）、高靈敏度(9.69 a.u. N-1)，快速響應(yīng)（35 ms），和良好的可靠性（5000個(gè)循環(huán)）。利用該機(jī)械傳感器構(gòu)建了一個(gè)個(gè)性化的人機(jī)交互系統(tǒng)（HMI），并演示了它在智能控制中的應(yīng)用。該工作以題為“Bioinspired Bimodal Mechanosensors with Real-Time, Visualized Information Display for Intelligent Control” 的文章發(fā)表于Advanced Functional Materials上。
傳感器的壓力可視化和摩擦電傳感性能
機(jī)械傳感器主要由SrAl2O4：Eu2+：Dy3+（SAOED）熒光包埋polyvinylidene-fluoride-co-hexafluoropropylene（PVDF-HFP）復(fù)合材料組成。其中，商業(yè)SAOED（粒徑范圍：1-35µm）分布到PVDF-HFP，形成摩擦電/機(jī)械發(fā)光耦合層（稱為SPH層，厚度≈100µm），而導(dǎo)電電極（750-800µm，導(dǎo)電率5.46Scm -1）夾在兩個(gè)SPH層之間，形成雙峰機(jī)械傳感器（基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)的單電極模式S-TENG）。在摩擦期間，基于摩擦帶電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，通過電極輸出電信號(hào)。同時(shí)，外力轉(zhuǎn)移到嵌入的SAOED熒光粉上，由于Eu2+發(fā)光中心的4f6 5d1→4f7的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生綠色發(fā)射）。因此，光/電信號(hào)的輸出可以同時(shí)進(jìn)行。
SAOED的最大激發(fā)波長位于360 nm。發(fā)射峰在450-600nm之間為綠色發(fā)光，中心峰在≈520nm。隨后研究了熒光強(qiáng)度與SAOED含量之間的相關(guān)性�？梢杂^察到，隨著熒光粉的摻雜質(zhì)量上升到25 wt.%，其強(qiáng)度增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。通過機(jī)械磨削降低了商用SAOED的平均尺寸，以研究粒徑對(duì)發(fā)光性能的影響。發(fā)射波長的SPH薄膜與熒光粉（最大粒徑≈20µm）轉(zhuǎn)向長波長（1納米），而光致發(fā)光強(qiáng)度增加了11%，這可能是歸因于Eu2+發(fā)光中心暴露在熒光粉的表面積大小減少。優(yōu)化后，得到的傳感器實(shí)現(xiàn)“1-9”數(shù)字和“SCU”、“TENG”字母的完整軌跡顯示，具有高時(shí)空分辨率，可以被肉眼實(shí)時(shí)識(shí)別。以“S”的寫跡為例，其發(fā)光強(qiáng)度的變化與剪切力的變化相一致。結(jié)果表明，發(fā)射量在1.42 N時(shí)達(dá)到最高強(qiáng)度，最低的探測(cè)力為≈0.082N，器件的機(jī)械靈敏度高達(dá)9.69 a.u. N-1。
當(dāng)不同電子親和的物體在外力作用下與SPH層接觸時(shí)，其表面產(chǎn)生等數(shù)的正負(fù)電荷。當(dāng)兩種材料分離時(shí)，就形成了一個(gè)電位差。SPH表面的負(fù)電荷驅(qū)動(dòng)陽離子不斷轉(zhuǎn)移到離子凝膠中，以保持靜電平衡。同時(shí)，由于電雙層的極化，在離子凝膠與金屬線的界面上形成相同數(shù)量的電子，通過外部電路流入地面。當(dāng)兩種摩擦電材料再次接觸時(shí)，整個(gè)過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)。因此，在周期性的接觸和分離過程中，垂直力被連續(xù)地傳遞到交流電壓/電流輸出中。文章測(cè)量了機(jī)械傳感器的電輸出性能。開路電壓（VOC）和短路電流（ISC）的形狀分別為上單峰和非下雙峰。當(dāng)施加的力從5N增加到41 N時(shí)，VOC的峰值從33增加到62 V，ISC從0.71提高到1.62µA。
摩擦-機(jī)械發(fā)光的協(xié)同效應(yīng)及傳感器智能應(yīng)用
文中發(fā)現(xiàn)了基于摩擦電增強(qiáng)機(jī)械發(fā)光現(xiàn)象。在接觸或摩擦作用下，PVDF-HFP表面產(chǎn)生的摩擦電子很容易遷移到分子周圍的SAOED晶格中，隨后被電子缺陷態(tài)（如Dy3+、氧空位（VO）陷阱和晶格扭曲-間隙空位（VC））捕獲。作為一種可能的遷移路徑，這些晶格中的自由電子會(huì)被Dy3+電子捕獲中心捕獲，從而產(chǎn)生二價(jià)離子（Dy2+）。然后，通過機(jī)械刺激從異常原離子中逃逸的電子通過導(dǎo)帶（CB）到達(dá)Eu2+，形成4f65d1態(tài)的激發(fā)態(tài)Eu2+離子。當(dāng)Eu2+離子的激發(fā)電子回到基態(tài)時(shí)，光子以綠色可見光的形式發(fā)射出來。此外，電場(chǎng)會(huì)降低阱的深度，進(jìn)而在晶格中引入更多的空穴，導(dǎo)致SAOED的能帶更加傾斜，電子更容易逃逸到CB中。促進(jìn)了摩擦電子和空穴的復(fù)合和再釋放過程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的22%的增強(qiáng)。
傳感器應(yīng)用主要為一個(gè)自供電的6×6皮膚陣列傳感器，通過給出雙信號(hào)來繪制壓力圖。當(dāng)像素1-6、9、10、15、16、21、22、27、28、33和34被手指按順序按下時(shí)（字符“T”的軌跡），相關(guān)像素的出現(xiàn)電壓，并顯示了字母的軌跡。通過開發(fā)一個(gè)集成了機(jī)器人技術(shù)的無線信號(hào)傳輸模塊和分類指令的軟件，建立了一個(gè)智能控制系統(tǒng)。當(dāng)手指在簡化的電子皮膚的4個(gè)象限上書寫，微型汽車根據(jù)書寫坐標(biāo)執(zhí)行向前、后退、左、右轉(zhuǎn)。這樣，汽車就能夠及時(shí)修改其移動(dòng)軌跡，避開障礙物，說明該控制系統(tǒng)是有效率、靈活的。
小結(jié)：該文展示了一種具有實(shí)時(shí)和可視化信息顯示的雙信號(hào)機(jī)械傳感器。研究發(fā)現(xiàn)表面電荷極化和摩擦電子遷移是摩擦電-光能轉(zhuǎn)換和輸出增強(qiáng)的原因。該文提出了一種有效的電/光雙輸出調(diào)制方法，允許機(jī)械傳感和成像特性的精細(xì)調(diào)節(jié)。該機(jī)械傳感器具有良好的高機(jī)械靈敏度、低檢測(cè)限、實(shí)時(shí)壓力模式和良好的可靠性，非常適合用于人類生理活動(dòng)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制。這種摩擦電和機(jī)械發(fā)光的集成和調(diào)制策略將使無約束、智能、視覺的機(jī)械傳感器成為可能，促進(jìn)人機(jī)協(xié)作，并加快機(jī)器人在傳感、醫(yī)學(xué)和家庭服務(wù)中的應(yīng)用。
來源：高分子科學(xué)前沿
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