摘要
进入21世纪，信息科技与5G技术飞速发展，社会逐渐进入物联网、大数据、人工智能时代，电子设备的使用量呈现爆发式增长。然而传统型发电方式已不能满足其供电需求，亟需开发新型分布式能源，实现对数量巨大且零散分布的电子设备持续、可靠供电。基于此，自驱动系统的概念应运而生，不需要任何外界能源供应，仅依靠设备自身产生或收集的能量实现系统独立、无线、可持续的运行。依靠摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机的提出与设计为自驱动系统实现新能源收集及自驱动传感提供了重要的途径。本论文基于摩擦纳米发电机，在开发新型传感技术、设计新型传感器件、提高能量获取及存储效率和新型自驱动系统构建等方面进行了深入地研究。本论文研究内容及创新点如下: (1)设计并构建了摩擦电式自驱动手势传感器用于智能手套系统。合成了具有导电性能的海藻酸钠.聚丙烯酰胺双网络交联水凝胶。传感器的制备以纤维状可拉伸水凝胶为电极，外围包覆柔性硅橡胶弹性体作为介电层，最大拉伸率可达到300％。在与模拟皮肤接触时，传感器在不同运动频率下的开路电压及转移电荷量数值恒定，分别为89.7V和26.3nC。基于该传感器构建的智能手套系统可用于检测手指的轻微与剧烈运动，对不同数量手指弯曲产生的电学信号也具有明显区分，实现了不同手势的运动检测。作为可穿戴设备，该系统具有舒适度高、操作简单，响应灵敏等优势。 (2)设计并制备了超灵敏摩擦电式触觉传感器用于智能仿生机器人及人体健康监测系统。利用磁铁对磁流体的动态调控特性，通过两步模板反转法制备了具有30°至90°倾斜结构及不同高度微结构的介电层。对具有可调微结构介电层的传感器件进行了理论分析和实验验证，结果表明倾斜和更高的微结构可以有效地提升传感性能。当微结构倾角为300时，压力低于44kPa时灵敏度为6.75kPa-1，检测压力达到250kPa时仍保持3.01kPa-1的灵敏度，具有良好的线性度。同时，触觉传感器的快速响应/J恢复时间分别为75ms和56ms。所制备的传感器可以在仿生机器人手中用于重量感知，或附着在人体的各个部位以检测生理活动，对后续工作开展具有重要的指导意义。 (3)设计了一种新型的多功能摩擦电式自驱动流体传感器用于流体参数的动态检测。采用固定于磁铁的磁流体原液和下落液滴分别作为摩擦介电层，通过可调速型智能蠕动泵控制液滴参数。利用实时图像采集分析了液滴与磁流体接触瞬间动态性能特征。根据传感器实时电流输出幅值和频率数与液滴流速、下落高度等参数的相关性，验证了该器件在流体传感的可行性。此新型摩擦电式自驱动流体传感器可以在不改变流体运动方位下实现对多参数的动态检测，拓宽了摩擦纳米发电机在自驱动传感的应用范围。 (4)设计并构建了一套完整的自驱动人机交互系统用于智能遥控车无线控制。利用智能手套系统作为信号产生源，经微处理器识别后由信号发射模块传送至智能遥控车的信号接收端。利用能量收集和储能模块构建的自充电能源包用于为微处理器电路供电。通过编织型摩擦纳米发电机收集人体机械能，在2.5Hz时电流峰值达到15.8μA。由水凝胶电解质和碳纳米管薄膜电极组成的超级电容器可以承受300％应变，负载电流为5μA时电容值约为156.3μF。将四个超级电容器串联连接，实现3.2V的可控调谐电压窗口。同时通过简单电路拓扑实现了能源管理，有效提升了自充电能源包效率。所设计的自驱动系统大部分模块具有广泛普适性，仅需改变传感器类型便可实现对各种终端设备的无线操控，为新型自驱动系统开发提供了范例。
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