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北化楊丹教授 Adv. Mater.：基于介電彈性體驅動器和摩擦納米發電機的自供電、自愈合仿人眼外肌驅動器

2023-12-09 來源：高分子科技

由腫瘤、糖尿病、頭部損傷等引起的永久性動眼神經麻痹（ONP）嚴重限制了病人的日常生活。急需開發一種可穿戴假體來輔助患者眼球運動以提供更廣闊的視野范圍，從而有效提高ONP患者的生活質量。介電彈性體驅動器（DEA）被譽為人工肌肉，但是其最外層的柔性電極易受到機械損傷和電損傷，使用壽命嚴重縮短。并且高達千伏的驅動電壓對人體和設備均存在潛在危害。制備一種安全穩定的DEA對ONP患者的康復與治療具有重要理論和實際意義。

北京化工大學楊丹教授團隊基于亞胺鍵和氫鍵，向聚二甲基硅氧烷（PDMS）中引入多巴胺修飾的碳納米管（CNT-PDA），并采用對苯二甲醛進行交聯，制備出具有自愈合性能的柔性電極，將其涂覆在丙烯酸酯介電彈性體上下表面，構筑成自愈合介電彈性體驅動器（SDEA）（圖1，圖2）。在直流電源的驅動下，SDEA的電驅動應變達至52.3%，在機械損傷后其電驅動應變仍然可以恢復至這一數值的90%以上。然而直流電源驅動下的SEDA很容易發生電擊穿，并且其電擊穿后的電驅動應變僅能恢復至原來的20%左右（圖3）。為了提高SDEA的使用安全性，采用摩擦納米發電機直接驅動SDEA，構筑出TENG-SDEA體系，其在135.9 kV mm^-1的電場下表現出50.6%的高驅動應變，與直流電源驅動時的應變相當（圖4）。當受到機械損傷，自愈合后的TENG-SDEA在10次循環后仍表現出90%以上的自愈合效率。更為重要的是，TENG的最高輸出電荷量是一個恒定值，當瀕臨電擊穿或漏電時，靜電荷會迅速被消耗，TENG-SDEA不會發生電擊穿。將多個TENG-SDEA集成為具有定向運動能力的仿人眼外肌驅動器，可以輔助眼球實現8個方向上的運動（圖5）。即使受到機械損傷后，仿人眼外肌驅動器的驅動位移仍能恢復至損傷前的80%以上。此外，SDEA可以用作實時監測患者肌肉康復狀態的柔性電容傳感器，其可以對人的手指、手腕、肘關節的彎曲運動以及眼部運動進行精準的監測，并在實施5000個循環后仍能保持良好的穩定性（圖6）。基于自供電、自愈合仿人眼外肌驅動器與柔性電容傳感器協同構筑成針對ONP患者的醫療輔助系統，在ONP患者的疾病控制和預防治療領域顯示出巨大的應用潛力。

圖1. SDEA的制備及基于仿人眼外肌驅動器和柔性電容傳感器的醫療輔助系統的構筑。

圖2. CNT-PDA與自愈合柔性電極復合材料的制備與性能表征。

圖3. SDEA在直流電源驅動下的驅動性能表征。

圖4. TENG的制備及TENG-SDEA的驅動性能表征。

圖5. 仿人眼外肌驅動器的驅動性能表征。

圖6. 柔性電容傳感器對人體肌肉運動的檢測及其循環穩定性測試。

相關工作以“Self-Powered and Self-Healable Extraocular-Muscle-Like Actuator Based on Dielectric Elastomer Actuator and Triboelectric Nanogenerator”為題發表在材料領域頂級期刊Advanced Materials（10.1002/adma.202309893）上。論文第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院碩士研究生劉?澤，通訊作者為北京化工大學楊丹教授。該論文得到了國家自然科學基金和中央高校基礎研究基金的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202309893

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（責任編輯：xu）

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