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  近日，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院安全科學(xué)與工程研究所江賽華教授課題組在極端環(huán)境下可穿戴傳感器技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)利用多種耐火材料，并結(jié)合靈活多樣的MXene油墨電路，設(shè)計(jì)制備出了適用于火場環(huán)境下的自供電傳感器。該傳感器能夠識(shí)別多種應(yīng)急手勢(shì)和復(fù)雜的步態(tài)模式，為可穿戴電子技術(shù)和安全智能防護(hù)裝備領(lǐng)域提供了一種新穎的思路，相關(guān)論文以“Facile monitoring for human motion on fireground by using MiEs-TENG sensor”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nano Energy。

  由于>200℃的火場中，工人或消防員面臨陌生或危險(xiǎn)的情況或多或少會(huì)做出一些不安全的行為，導(dǎo)致其生命安全受到較大的影響。近年來隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，基于分布式傳感器的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測可以提供實(shí)時(shí)的安全相關(guān)信息，幫助人們更安全、更智能地工作。然而傳統(tǒng)的傳感器由于外部供電會(huì)帶來過多的能耗和復(fù)雜的布線，限制了運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的進(jìn)一步發(fā)展。最近，基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的自供能傳感器因其無需外部電源，為人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。

  針對(duì)于危險(xiǎn)的火場高溫環(huán)境，TENG具有鮮明的優(yōu)勢(shì)：

• 1. 它具有可持續(xù)性、最小化和獨(dú)立性的特征，非常容易集成到人體上；

• 2. TENG的電輸出信號(hào)，包括開路電壓（Voc）、短路電流（Jsc）、頻率、幅度等，可以主動(dòng)發(fā)出并進(jìn)一步分析以關(guān)聯(lián)不同的運(yùn)動(dòng)；

• 3. 適用于TENG的材料選擇范圍非常廣，許多有著杰出阻燃耐熱性能的材料都可以用來組裝TENG傳感器。

  因此，基于TENG傳感器的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測在火場個(gè)人防護(hù)技術(shù)中展現(xiàn)出巨大的潛力。

  到目前為止，已經(jīng)進(jìn)行了大量的關(guān)于防火耐熱TENG傳感器的工作。現(xiàn)有的阻燃耐熱TENG報(bào)道中，工作的重心大多集中在材料本身上，使用的電極也僅僅局限于普通電極。這使得傳感器對(duì)人體動(dòng)作的識(shí)別被限制在簡單的動(dòng)作范圍（步行、跑步、跌倒）。與此同時(shí)，復(fù)雜的材料制備也限制了其進(jìn)一步商業(yè)化。研究團(tuán)隊(duì)提出了使用MXenes-inks印刷為可編程或圖案化電路來收集各種人體動(dòng)作信息，直接采用商用芳綸無紡布和耐熱硅膠分別用作摩擦帶電正極材料和摩擦帶電負(fù)極材料進(jìn)行TENG傳感器的組裝。芳綸織物/MiEs在高溫（<400℃）環(huán)境中表現(xiàn)出良好的耐熱和阻燃特性，同時(shí)還具有令人滿意的摩擦電性能和<100 ohm/cm的電導(dǎo)率。研究團(tuán)隊(duì)全面的測試了傳感器組成材料的摩擦電性能，耐熱性能和阻燃性能，TENG傳感器經(jīng)過火焰直接燃燒前后的主動(dòng)電輸出如視頻所示。

  進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)基于MiEs的圖案化電路設(shè)計(jì)以及上述摩擦電材料的組合而巧妙開發(fā)出了緊急手勢(shì)TENG（E-TENG）傳感器和步態(tài)識(shí)別TENG（G-TENG）傳感器。具體而言，E-TENG利用硅膠和芳綸組裝成帶有拱形結(jié)構(gòu)的傳感器，它可以感知手臂彎曲（其靈敏度為0.11 V/deg），以區(qū)分簡單的緊急手勢(shì)（停止、右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn)）。

  G-TENG傳感器在感知壓力分布和不同步態(tài)方面具有良好的性能。同時(shí)研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)中支持向量機(jī)的分類算法，首先利用一個(gè)G-TENG對(duì)向前走、向后走、向左跨步和向右跨步進(jìn)行了步態(tài)分類，獲得了92.85%的分類精度。隨后，為了探索G-TENG更多的潛力，利用2個(gè)傳感器對(duì)7個(gè)更復(fù)雜的步態(tài)（平路行走、下坡行走、跑步、右腳跳躍、雙腳跳躍、上樓梯和下樓梯）進(jìn)行了識(shí)別和分類（分類精度為92.18%）。團(tuán)隊(duì)基于MXenes-inks油墨電極和阻燃材料制備的自供電傳感器可以很好的識(shí)別人體動(dòng)作，有望用來真正意義上監(jiān)測極端環(huán)境下人體動(dòng)作，并進(jìn)一步保護(hù)其安全。

  華南理工大學(xué)碩士生孫平為該論文的第一作者，江賽華教授為文章的通訊作者，華南理工大學(xué)是論文第一單位。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金和火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552100745X