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  根據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全世界已有超過3600萬名盲人。由于視力受損，盲人無法像正常人一樣學(xué)習(xí)和閱讀。盲文是專為盲人設(shè)計(jì)、靠觸覺感知的文字。它們由6個(gè)觸點(diǎn)組成，這些觸點(diǎn)被排列成三行兩列，可以組合成不同的字符。通過觸摸，盲人可以從盲文書中獲得文本信息。但是，現(xiàn)在的紙制盲文書籍較為厚重，且內(nèi)容無法更新，難以快速、實(shí)時(shí)地給盲人提供最新的信息。

  介電彈性體是一種電活性聚合物，在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生大幅的形變，并在電場(chǎng)消失后立即恢復(fù)其原始尺寸，具有輕便、可快速變形的能力，適于制作新型可擦寫盲文顯示設(shè)備。但是，常見的介電彈性體驅(qū)動(dòng)裝置都是高壓電源，不僅重量大、耗電量大、價(jià)格也很昂貴，難以用于便攜的盲文顯示設(shè)備，而且高壓電源還對(duì)人體有安全隱患。因此，如果有一種輕便、經(jīng)濟(jì)、安全的裝置能產(chǎn)生高電壓來驅(qū)動(dòng)介電彈性體薄膜，將使便攜的、可擦寫盲文書成為現(xiàn)實(shí)，給眾多無法使用觸摸屏的盲人帶來真實(shí)“可觸”的好處。

  近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟課題組與陳翔宇課題組，以摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）為高壓源，研制了一種基于介質(zhì)彈性體的盲文顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單輕巧、制作成本低，安全可靠等特點(diǎn)。研究者通過優(yōu)化器件設(shè)計(jì)，使TENG產(chǎn)生3000多伏的電壓，其短路電流僅為微安級(jí)，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何危害，可驅(qū)動(dòng)介電彈性體薄膜，使其發(fā)生形變，并成為可觸摸的盲文觸點(diǎn)；基于此，研究者設(shè)計(jì)了盲文顯示器件基礎(chǔ)單元（以下簡(jiǎn)稱盲文單元），并加入程控開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)了可擦寫的復(fù)雜顯示方案，使該器件具有了刷新和顯示不同盲文字符的功能，可構(gòu)建盲文顯示陣列，展示了作為可擦寫盲文顯示系統(tǒng)的潛力，為設(shè)計(jì)便攜式盲文電子書提供了新的技術(shù)和思路。相關(guān)成果以” Refreshable Braille Display System Based on Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer”為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊Advanced Functional Materials (2020, 2006612).

圖1. 可擦寫盲文展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

  如圖1所示，整個(gè)盲文顯示系統(tǒng)由盲文單元、TENG和控制模塊組成。采用單電極滑動(dòng)式TENG作為驅(qū)動(dòng)源。盲文單元的主體部分為具有柔性電極（碳脂電極）的介電彈性體，單元內(nèi)有空腔。

圖2. TENG的電學(xué)表征

  如圖2所示，經(jīng)過等離子體刻蝕的Kapton薄膜有效地提高了TENG的輸出性能。為了更好地說明TENG作為高壓源的安全優(yōu)勢(shì)，研究者分別測(cè)量由TENG和商用高壓電源驅(qū)動(dòng)的介電彈性體的擊穿電流（I_break）。結(jié)果表明由TENG引起的I_break（44.34 μA）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由商用高壓電源引起的I_break（28663 μA）。圖2c, 2d, 2e分別是對(duì)面積為16cm² TENG的電學(xué)表征

圖3. TENG驅(qū)動(dòng)介電彈性體的原理及影響觸點(diǎn)突起高度的因素

  如圖3所示，TENG驅(qū)動(dòng)介電彈性體的原理為：根據(jù)摩擦電序列，Kapton具有比Al更強(qiáng)的電負(fù)性。初始狀態(tài)下Kapton膜的表面上聚集負(fù)電荷，而在Al箔的表面上聚集等量的正凈電荷。TENG在滑動(dòng)過程中，電子從Al注入到Kapton中，這兩種材料之間會(huì)出現(xiàn)壓降，連接在TENG與地之間的介電彈性體具有電容特性，因此將承受這種壓降。受麥克斯韋力的影響，介電彈性體薄膜被橫向拉伸，盲文單元內(nèi)的氣體將其轉(zhuǎn)變?yōu)橥黄鸬挠|點(diǎn)。腔體的氣壓(圖3c, 3d, 3f)、TENG的面積(圖3d, 3e)、以及介電彈性體的預(yù)拉伸率是影響觸點(diǎn)突起高度的主要因素。圖3g, 3h分別為TENG驅(qū)動(dòng)介電彈性體時(shí)，TENG電荷的積累與釋放過程，和相應(yīng)觸點(diǎn)突起高度的升降過程。

圖4. 具有六個(gè)介電彈性體觸點(diǎn)的盲文顯示單元

  如圖4所示，研究人員設(shè)計(jì)具有六個(gè)觸點(diǎn)的盲文顯示單元，并用陣列化的TENG驅(qū)動(dòng)每個(gè)觸點(diǎn)以確保每個(gè)觸點(diǎn)都能獲得良好的驅(qū)動(dòng)力，并同時(shí)展示A, B, C三個(gè)盲文字符。

圖5. 加入控制器的可擦寫盲文顯示系統(tǒng)

  如圖5所示，控制器的加入，使同一個(gè)盲文單元實(shí)現(xiàn)不同盲文字符的展示。研究者用同個(gè)盲文單元分別展示T, E, N, G四個(gè)盲文字符，實(shí)現(xiàn)了盲文的可擦寫展示功能。圖5c是對(duì)對(duì)便攜式可擦寫盲文電子書的展望。

  結(jié)論：該研究提出了一種基于TENG和介電彈性體的可擦寫盲文顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行系統(tǒng)展示。利用TENG輸出的上千伏電壓，使介電彈性體薄膜形變，從而形成盲文觸點(diǎn)，并通過可控開關(guān)，通過程序控制使每個(gè)盲文單元顯示不同的盲文字符。整個(gè)系統(tǒng)易于制造，安全且方便，雖然要實(shí)際應(yīng)用還要解決很多技術(shù)問題，但是本研究為便攜式可擦寫盲文電子書提供了一種新的思路和可能。

  論文第一作者為曲學(xué)鋮、馬秀、石波璟，論文通訊作者為李舟研究員和陳翔宇研究員。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等項(xiàng)目支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006612