近期，我室在《Chemical Engineering Journal》上发表题为“Binary-1D/2D nanomaterial-functionalization toward strong, stretchable, and anti-freezing electrically conductive organohydrogels for self-powered operation monitoring of robotic hand”的研究论文(Chemical Engineering Journal 478 (2023) 147317)。我室2021级硕士研究生周洁为论文第一作者，宋飞教授为通讯作者。
【研究背景】
随着社会的不断进步，智能机器和机器人逐渐替代传统人力成为一种明显的趋势。对于机械设备而言，实时准确监测其工作状态变得至关重要，因此需要多功能、高性能的传感器以满足这一需求。在高负载和寒冷环境中运作时，传统的能源供应设备在维持机械形态和快速电池放电方面面临着困难，导致严重的能源供应故障。近年来，柔性摩擦纳米发电机（TENG）作为自供电能量转换的新型装置备受瞩目。导电水凝胶因其可拉伸的特性而成为制备柔性TENG理想电极材料。然而，在恶劣环境中导电水凝胶电极作为自供电传感器部件在监测大型机械或机器人时通常失效，因此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。
【主要内容】
我们报道了一项二元纳米材料功能化方法，用于开发防冻可拉伸的导电纳米复合聚乙烯醇有机水凝胶（CMPG）。通过采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，结合溶剂置换的策略，赋予CMPG在-20°C环境下优越的机械性能（2.7 MPa和820%）和导电性（6.2 S/m）。在硅橡胶封装后，CMPG可用于构建TENG，其在负载电阻和40N的压力下具有约120mW m-2的峰值功率密度，并能在-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，用于监测低温下机器手的抓取状态。通过无线传输识别实时电信号，能够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，展现了广泛的应用前景。
图1. 基于CNF/MXene的有机水凝胶用于低温下的自供电传感
图2. CMPG的制备和表征
图6. CMPG-TENG在低温下的应用演示
我们展示了一种防冻、高机械性能和导电的有机水凝胶，作为自供电传感器的电极，可在极冷的环境中进行信号采集和传输。由于1D CNFs和2D MXene两种纳米材料之间的相互作用和几何比例，CMPG表现出高达3.2MPa的机械强度和8.7S/m的电导率。即使在极冷的环境（<-20°C）下，这些性能仍能保持71%以上。这些功能使得TENG能够作为一种自供电传感器，用于监测机械手在低温下的工作状态。我们通过蓝牙传输实时电压信号，TENG能够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新的视角。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147317
