溫度傳感器作為人工智能技術(shù)與可穿戴設(shè)備的重要支撐，已廣泛應(yīng)用于智能制造、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、智能交通與智慧家居等關(guān)鍵領(lǐng)域。傳感器的穩(wěn)定性是衡量其可靠性與實用性的關(guān)鍵指標，直接影響靈敏度、響應(yīng)速度、工作壽命及極端環(huán)境適應(yīng)能力，對于數(shù)據(jù)采集與連續(xù)監(jiān)測至關(guān)重要。然而，溫度傳感器在現(xiàn)實場景中常面臨多變外界條件的干擾，尤其是水汽、粉塵以及不良工況等條件，易引發(fā)傳感材料的性能衰退，甚至導致傳感功能失效。開發(fā)兼具高機械強度和防潮能力的材料是提升傳感穩(wěn)定性的關(guān)鍵，對于傳感器在復雜和極端工況下的穩(wěn)定運行能力具有重要意義。

【文章概述】

近日，聶雙喜教授課題組受河豚骨刺的啟發(fā)，提出一種將剛性金屬骨架嵌入柔性纖維素網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計策略，構(gòu)筑了一種兼顧強度和超疏水的多孔摩擦電材料。纖維素預(yù)先通過低表面能的硅烷處理，使得摩擦電材料的水接觸角達154.2°。摩擦電材料的孔隙率為86.2%，同時楊氏模量達117 MPa，其機械魯棒性超越了現(xiàn)有超疏水多孔摩擦電材料的相關(guān)報道。利用摩擦電材料組裝的可穿戴溫度傳感器在極端濕度、強紫外輻射和強應(yīng)力環(huán)境下輸出穩(wěn)定。結(jié)合無線傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)，傳感器實現(xiàn)了遠程可視化反饋，溫度感知的準確率達98.4%。這項研究有利于解決超疏水多孔材料機械性能不足的顯著挑戰(zhàn)，并為構(gòu)建環(huán)境魯棒性可穿戴傳感器開辟新的突破口。

【圖文導讀】

1．仿生纖維素摩擦電材料的設(shè)計

河豚的骨刺在形態(tài)上呈三角錐形或針狀，是一種具備出色力學性能的外框防護結(jié)構(gòu)。河豚在受到外界威脅時膨脹身體使骨刺外翻，形成密集的“防護層”，顯著提升了其抗穿刺和抗撕裂性能。受此現(xiàn)象啟發(fā)，這項工作在硅烷改性纖維素的網(wǎng)絡(luò)中嵌入三角錐形堆疊結(jié)構(gòu)的金屬框架，開發(fā)了一種堅固的超疏水摩擦電材料。這種復合框架結(jié)構(gòu)賦予材料優(yōu)異的耐磨屬性，即使經(jīng)歷數(shù)千次磨損材料仍保持優(yōu)異的疏水能力。材料的疏水性能還經(jīng)受住極端環(huán)境（極寒、輻射）的損耗，所構(gòu)筑的傳感器在極端濕度、紫外輻射和高應(yīng)力沖擊作用下輸出穩(wěn)定。

圖1. 仿生纖維素摩擦電材料的概念與性能

2．纖維素摩擦電材料的多孔結(jié)構(gòu)特征與性能

纖維素采用甲氧基三甲基硅烷改性處理，賦予纖維素疏水基團。隨后利用溶劑輔助超聲振動，驅(qū)動改性纖維素溶液進入并包裹金屬框架，并利用冷凍干燥處理保留纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。測試證實了多孔摩擦電材料的成功合成，并且材料的水接觸角達到154.2°，液滴長時間附著在材料表面也并不會滲透，同時經(jīng)過酸性與堿性溶液浸泡也依舊疏水，證明材料的疏水性能在長時間潤濕下依舊保持穩(wěn)定。

圖2. 摩擦電材料的結(jié)構(gòu)特征

3．摩擦電材料的機械結(jié)構(gòu)增強機制

采用有限元模擬分析金屬框架類三叉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要集中在分叉口，表明材料的形變或斷裂易發(fā)生在金屬框架的交叉節(jié)點。通過使用橡膠磨輪在200 g載荷下經(jīng)過4000次摩擦循環(huán)后材料仍可保持144°的靜態(tài)水接觸角。即使經(jīng)過極端磨損測試（如汽車碾壓和鋼絲球摩擦）和150℃的高溫度環(huán)境中，材料仍保持良好的疏水性能。機械性能測試結(jié)果證明，摩擦電材料的機械性能超越了現(xiàn)有多孔超疏水摩擦電材料的相關(guān)報道，甚至優(yōu)于大多數(shù)超疏水多孔結(jié)構(gòu)材料。

圖3. 摩擦電材料的力學性能

4．環(huán)境魯棒性傳感器的性能評估

基于摩擦電材料的堅固且耐磨性能，將其與高得電子能力的聚全氟乙丙烯（FEP）配對構(gòu)建摩擦納米發(fā)電機。在一個工作周期內(nèi)，摩擦納米發(fā)電機的響應(yīng)時間和恢復時間分別為64 ms和78 ms，證明摩擦納米發(fā)電機具備快速響應(yīng)的工作潛力。材料自身熱電子發(fā)射現(xiàn)象為響應(yīng)環(huán)境溫度變化提供了有效途徑。環(huán)境溫度從25℃升溫至200℃時，摩擦納米發(fā)電機產(chǎn)生輸出顯著衰減，這表明該裝置有望成為反饋溫度變量的傳感器。為了評估環(huán)境和工作條件對傳感器的干擾，測試了濕度、紫外輻射、應(yīng)力強度和頻率對輸出影響。測試結(jié)果表明，傳感器有利于屏蔽環(huán)境因素的干擾，具備獨特的溫度響應(yīng)能力。

圖4. 摩擦電材料的溫度響應(yīng)能力

5．用于高溫觸覺感知的無線傳感系統(tǒng)

溫度傳感器被分別集成在機械手的五個指尖上，形成一個用于識別未知物體的智能觸覺系統(tǒng)。利用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學習技術(shù)，可以從多通道的觸摸信號中提取細微的差異和復雜的特征，從而提供識別準確率，深度學習使得傳感器對溫度的平均識別準確率達到98.4%。研究結(jié)果表明，疏水耐磨的摩擦電材料可以準確反饋觸摸溫度變化，并具有構(gòu)建通用性觸覺感知平臺的潛在優(yōu)勢。

圖5. 可穿戴智能傳感器

【總結(jié)】

研究報道了一種堅固且超疏水的纖維素基摩擦電材料，并開發(fā)了一種環(huán)境自持的高溫觸覺傳感器。摩擦電材料兼具優(yōu)異的機械性能、耐磨性和疏水性能，即使承受-196℃和高壓沖擊場景下，摩擦電材料的疏水性能仍保持穩(wěn)定。得益于摩擦電材料優(yōu)異的機械魯棒性，傳感器在高濕度、高紫外輻射、高應(yīng)力作用下傳感信號穩(wěn)定。結(jié)合無線傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)，成功集成開發(fā)了一種可穿戴觸覺感知系統(tǒng)，并實現(xiàn)了溫度信息的實時觸摸反饋。這項研究為可穿戴傳感器邁向現(xiàn)實應(yīng)用提供理論參考，同時為新興傳感器的設(shè)計提供一種可借鑒的思路。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202518525

來源：能源學人