研究背景

随着时代发展，使用智能机器和机器人取代传统人力已成为一种趋势。对于机械仪器来说，对其工作状态的实时准确监测变得非常重要，因此特别需要多功能、高性能的传感器来满足这些要求。对于高负载和寒冷环境中的操作，传统的能源供应设备在维持机械变形和快速电池放电方面面临困难，导致严重的能源供应故障。柔性摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新型的自供电能量转换装置近年来受到广泛关注。导电水凝胶由于其可拉伸特性，已成为制备柔性TENG的理想电极材料。然而，为了监测在恶劣环境中工作的大型机械机器人，仍迫切需要提高水凝胶电极在极低温度下的机械强度和导电性。

文章概述

四川大学化学学院环保型高分子材料国家地方联合工程实验室宋飞教授团队近期报道了一种二元纳米材料功能化方法，以开发一种防冻可拉伸的导电纳米复合聚乙烯醇有机水凝胶（CMPG）。利用一维纤维素纳米纤维与二维材料MXene的几何协同和分子相互作用以及溶剂置换的策略，赋予CMPG在-20°C环境下良好的机械性能（2.7 MPa和820%）和导电性（6.2 S/m）。用硅橡胶封装后，CMPG可用于构建TENG，其在5×107Ω的负载电阻和40N的压力下具有约120mW m-2的峰值功率密度，并可在-20°C下稳定运行超过15000次。该TENG可以作为一种自供电传感器，用于监测低温下的机器手抓取状态。通过无线传输识别实时电信号，可以区分抓取物体的大小和材质，在极端气候下监测智能机器人系统方面展示出良好的应用前景。

展示了一种防冻、高机械性能和导电的CMPG作为自供电传感器的电极，在极冷的环境中进行信号采集和传输。得益于两种纳米材料（1D CNFs和2D MXene）之间的相互作用和几何比例，CMPG表现出3.2MPa的高机械强度和8.7S/m的高电导率。即使在极冷的环境中（<-20°C），这些性能仍能保持71%以上。CMPG被进一步展示用于构建TENG，其显示出120 mW m-2的功率密度。由于CMPG的韧性，TENG可以在-20°C下稳定运行至少15000次循环。这些功能使TENG能够作为一种自供电传感器应用，用于监测机械手的工作状态，并通过蓝牙传输实时电压信号来识别抓取物体的不同尺寸和材质。这些发现为设计用于极端环境中机器监测的自供电、可拉伸和耐低温传感器提供了一个新的视角。

来源：传感器专家网