近日，來自華南理工大學江賽華教授團隊的研究人員基于同軸打印技術和摩擦電納米發(fā)電原理制造了堅固的壓力傳感纖維，并創(chuàng)新地將其與機械手和履帶車集成，實現(xiàn)高精度物體識別和環(huán)境路況信息傳感（圖1）。同軸纖維的內(nèi)芯材料為聚二甲基硅氧烷（PDMS）和鎵銦合金（EGaIn）的高導電油墨（PLM），外殼材料為單組分室溫硫化硅膠（RTVS）。同軸壓力傳感纖維兼具PLM的高導電性和RTVS優(yōu)異的力學性能和耐高溫性，具有出色的靈敏度(4.03 V?kPa?1)、快速的響應時間(23ms)和優(yōu)異的耐久性(超10000次循環(huán))，有效拓展了救援機械設備在極端環(huán)境中的信息收集能力，為實際救援內(nèi)攻任務提供了一種潛在的解決思路。該工作以“Robust self-encapsulated fiber integrated with rescue robots for environmental information collection”為題發(fā)表于國際能源領域頂級期刊《Nano Energy》，第一作者為華南理工大學機械與汽車工程學院碩士研究生孔淇，其他共同作者為劉付超康、程家圻，文章通訊作者為華南理工大學江賽華教授。
圖1. 同軸纖維制造-性能-應用示意圖。
由于液態(tài)金屬的高表面張力和易氧化的特點，同軸纖維在使用前需要經(jīng)歷活化過程，僅需一次活化即可在纖維內(nèi)部形成導電通路，二次活化即可形成電阻率為（6.354·10-6Ω·m）的高導電同軸纖維（圖2a-b）。為評估同軸纖維在極端環(huán)境中的適應性，對同軸纖維施加拉伸、扭轉和高壓等操作后，同軸纖維均可恢復原狀，展現(xiàn)了出色的柔性和力學性能（圖c-e和支持信息）。將其置于不同惡劣環(huán)境中（紫外光照、強酸強堿和高溫高濕），同軸纖維均保持穩(wěn)定的電氣性能（圖2f和支持信息），展現(xiàn)了在極端環(huán)境中應用的潛力。
圖2.同軸纖維環(huán)境適應性測試。
圖3a展示了同軸壓力摩擦電納米發(fā)電機傳感器（CP-TENG）的工作原理，CP-TENG無需外接電源即可對壓力的穩(wěn)定傳感，展現(xiàn)了其獨特優(yōu)勢。除此之外，利用同軸打印技術可定制化纖維的幾何形狀，圖3f展示了具有高度梯度的螺旋形CP-TENG，實驗證明，高度梯度的存在顯著提高了傳感器的靈敏度（圖3h）。CP-TENG在紫外光處理、酸堿溶液浸泡和高溫高濕環(huán)境中均保持一定的傳感能力，并在超10000次循環(huán)中保持穩(wěn)定性能。
圖3.CP-TENG的摩擦電性能測試。
受人類指紋啟發(fā)，制造了螺旋形CP-TENG并將其集成至機械手中，對不同形狀物體（球體、圓錐體、圓柱體和長方體）和不同材質（木材、尼龍、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和聚氯乙烯）進行識別（圖4a），通過提取多通道電壓信號的幅值作為特征，構建物體形狀和材質識別數(shù)據(jù)集。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）對物體形狀進行識別和分類，實現(xiàn)了100%的形狀識別準確率（圖4b）和98.3%的材質識別準確率（圖4c）。
圖4.物體形狀與材質識別。
由于CP-TENG具有優(yōu)異的力學性能，將其集成到履帶車的履帶處，與地面發(fā)生接觸-分離視為一個周期（圖5a-b）。在單周期內(nèi)，周期持續(xù)時間和周期內(nèi)特征信號可作為評估路況信息的重要依據(jù)。例如，當履帶車在光滑路面行進時，周期持續(xù)時間為1s，周期內(nèi)沒有明顯特征信號。而在粗糙路面行進時，周期內(nèi)呈現(xiàn)多次分離-接觸模式（圖5c-d）。還拓展研究了在遇到小型、中型和大型障礙物時CP-TENG的特征信號模式，為路況信息傳感提供了新的解決思路。
圖5.路況信息識別。
總結：該工作展示了基于堅固同軸纖維拓展救援設備環(huán)境信息收集能力的潛在應用，為極端環(huán)境實施救援和開展工作提供了一種新的解決思路。該工作得到廣東省重點領域研發(fā)計劃、天津市消防安全技術重點實驗室開放基金、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金和中央高校基本科研業(yè)務費的支持。
江賽華教授簡介：
江賽華，華南理工大學機械與汽車工程學院教授，2014年博士畢業(yè)于中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，同年獲得香港城市大學聯(lián)合培養(yǎng)博士學位，曾在2017-2020年間于賓夕法尼亞大學從事博士后研究工作。研究方向主要為智能安全傳感、新能源與材料安全技術及理論研究。主持國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃專題、科技部外國專家項目、廣東省自然科學基金、中國博士后基金、公安部重點實驗室項目、廣州市科技項目等20余項科研項目，參與多項國家重點研發(fā)計劃及973計劃項目。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Journal of hazardous materials、Journal of Materials Chemistry A 等國際期刊共發(fā)表 SCI 收錄論文超110篇，授權發(fā)明專利17項，登記軟著1項，省部級科技成果登記1件。研究論文得到同行的積極評價（引用數(shù)累計超過4700次，h-index 為 39）。研究成果獲中國安全生產(chǎn)協(xié)會科學技術進步獎一等獎、中國特種設備檢驗協(xié)會科學技術獎二等獎等獎勵多項。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111092
