山东大学李阳/济南大学牛闳森/北理工沈国震AFM：自修复基水凝胶的摩擦纳米发电机用于安全防护和无人机运动控制的智能手套集成系统

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-28 15:37

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柔性传感技术的发展显著推动了可穿戴设备在运动跟踪、军事装备和元宇宙设备等领域的应用。智能手套作为该领域的关键创新，能够实现复杂场景下的手势控制和环境交互。然而，随着隐私保护意识的提升，传统的身份验证方式（如密码锁和指纹识别）难以满足高风险环境中对身份验证的严格要求。因此，亟需开发能够捕捉用户独特特征的个性化生物识别技术（例如手部动作轨迹），以提升身份验证的安全性与精准性。同时，非接触式识别技术不仅能降低交叉感染风险，还能减少设备磨损，延长使用寿命。

近日，山东大学李阳团队创造性地提出了一种集成安全识别与手势控制功能的智能手套系统。该系统通过快速自愈的水凝胶提升传感器的拉伸性和耐用性，并依托非接触感知技术与全连接神经网络（FCNN），实现个性化用户识别和无人机操控界面的安全解锁，有效解决了高风险环境中的身份验证与灵活控制问题。

该研究提出了一种基于聚乙烯醇–海藻酸钠–聚苯胺（PVA–SA–PANI，PSP）水凝胶的摩擦纳米发电机（PSP-TENG），用于集成安全识别与手势控制功能的智能手套系统。为了增强PSP-TENG的输出响应，在摩擦层上采用模板转移技术制造了具有大表面积的纺织状微结构，从而实现了快速的接触与非接触响应时间（<46毫秒和<160毫秒）（图1）。PSP水凝胶通过PVA与硼砂的交联反应形成，具备优异的拉伸性、导电性以及快速自愈性能（<12秒）（图2）。基于PSP水凝胶的TENG（PSP-TENG）具有出色的接触和非接触性能（图3）。得益于其非接触性能，结合全连接神经网络设计了能够捕捉手部运动轨迹的个性化人物识别系统（图4）。进一步地，开发了用于安全解锁和关节动作控制无人机的智能手套系统（图5）。此设计不仅提升了无人机操作的灵活性与便携性，还显著增强了未来战场环境中武器系统操作的安全性，有效应对复杂环境中的多样化需求和严峻的安全挑战。

图1：基于PSP-TENG的智能手套设计。

图2：PSP水凝胶的机械和电学性能表征。

图3：PSP-TENG的工作机制和输出特性。

图4：PSP-TENG在人物识别中的应用。

图5：PSP-TENG智能手套的应用。

该研究成果以“Self-Healing Hydrogel-Based Triboelectric Nanogenerator in Smart Glove System for Integrated Drone Safety Protection and Motion Control

”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上，济南大学硕士王成文为第一作者，济南大学牛闳森副教授、北京理工大学沈国震教授和山东大学李阳教授为论文共同通讯作者。该研究得到了中国国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等的资助支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419809

作者简介：

李阳，山东大学集成电路学院副院长，教授，博士生导师，IEEE高级会员，科技部中韩青年科学家、山东省泰山学者青年专家、山东省高校集成电路创新团队带头人、山东省优青、山东省青年科技人才托举工程入选者、齐鲁青年学者，主持国家自然科学基金项目、科技部项目、山东省重大基础研究、山东省重点研发计划项目等省部级以上项目近20项。主要研究领域：射频无源电路设计；“传感存算一体化”芯片系统。已累计发表SCI检索论文150余篇，其中以第一作者/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev.等领域内顶尖期刊上发表中科院一区文章近100篇，包含封面文章12篇，授权国家发明专利25项，韩国发明专利11项，出版英文学术专著2部。

牛闳森，济南大学信息科学与工程学院副教授，校聘学科带头人，教育部海外引才专项计划入选者，山东省优青。主要研究领域：智能触觉传感器设计与制备；感知与认知系统设计与集成；先进集成电路制造工艺。近5年已累计发表SCI检索论文20余篇，其中以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater. (3篇)、Adv. Sci.、InfoMat (3篇)、Small (3篇)、Nano Energy等期刊发表SCI论文15篇，均为中科院一区，单篇被引用超过200次论文2篇，期刊封面文章2篇，ESI 高被引 & 热点论文3篇，授权国家发明专利5项，主持中国博士后科学基金面上项目。中国材料研究学会智能传感功能材料与器件分会委员会委员；国际学术期刊Soft Science、Moore and More青年编委。

沈国震，北京理工大学集成电路与电子学院特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事低维半导体材料及相关柔性电子器件的研究。以第一完成人身份获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖等。现任英国皇家化学会会士、中国材料研究学会理事。发表SCI收录论文300余篇，获引用超过3万，H-index为94。

来源：高分子科学前沿

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