寧波材料所在抗凍有機凝膠摩擦納米發(fā)電機用于可穿戴人機交互方面取得進展
便攜、柔性的人機交互器件在物聯(lián)網(wǎng)、智能機器人等領(lǐng)域具有重要的作用，用戶能夠通過它們完成與系統(tǒng)的信息交換，或向系統(tǒng)發(fā)送指令。受生命體通過離子定向遷移傳遞生理電信號的啟發(fā)，離子導電水凝膠材料被廣泛應用于設(shè)計制作柔性可拉伸電子器件。然而水凝膠中的水在低溫環(huán)境下會結(jié)冰，導致材料變脆，離子電導率下降，制約了其適用溫度范圍。如何設(shè)計耐低溫柔性導電凝膠，并在此基礎(chǔ)上制作具有廣泛應用前景的智能人機交互器件仍是一個挑戰(zhàn)。
近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊基于在聚合物凝膠領(lǐng)域長期研究基礎(chǔ)（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 21890; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 3640; ACS Nano, 2021, 15 , 10415; Mater. Horiz., 2021,8, 2761; Adv. Mater, 2020, 32, 2004290; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59,19237; Angew. Chem. Int.Ed., 2019, 58, 16243; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Research, 2019, 238434等），受樹蛙等抗凍生物的啟發(fā)，開發(fā)了一種基于有機凝膠的人機交互材料與器件。
該工作通過溶劑置換的方法設(shè)計了一種由聚丙烯酰胺/納米粘土交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和乙二醇/水二元溶劑為分散介質(zhì)組成的有機凝膠（圖1）。納米粘土在作為物理吸附交聯(lián)點的同時還提供了可移動的自由離子，使其具有離子導電性。乙二醇的引入賦予了該有機凝膠良好的抗凍性能，包括-0 ℃下良好的可拉伸性（700%）、離子電導率（1.5×10-3 S m-1）、透明度（91%）以及自修復性。進一步以有機凝膠為電極與彈性體組裝制備了摩擦納米發(fā)電機（TENG），得益于有機凝膠良好的抗凍性能，該有機凝膠TENG在-30 ℃仍保留了良好的發(fā)電性能。將其進一步附著在手指上開發(fā)了一種可穿戴的人機交互鍵盤。TENG在與其他物體接觸分離的過程中能夠產(chǎn)生相應的電壓信號，這些電壓信號被收集、編碼，最終能夠?qū)淖中畔@示在顯示器上（圖2）。本工作為凝膠材料在人機交互領(lǐng)域的應用提供了新的思路。
該工作以“Anti-freezing Organohydrogel Triboelectric Nanogenerator toward Highly Efficient and Flexible Human-machine Interaction at -30 ℃”為題發(fā)表在Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106614。本研究得到了國家自然科學基金（51773215）、中國科學院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、浙江省自然科學基金（LY21E030013）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大項目（2018B10057、2020Z022）、寧波市自然科學基金（202003N4359）、中德合作國際交流項目（M-0424）以及王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項目的支持。
圖1 基于有機凝膠的人機交互設(shè)備制備及工作原理示意圖
圖2 基于有機凝膠的人機交互設(shè)備的應用展示
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