北化杨丹教授/于中振教授、纳米能源所王中林院士 AFM：自愈合、全天候、自供电智能交通监控系统

2023-09-16 来源：高分子科技

据统计，每年约有130万人死于道路交通事故，给家庭造成严重损失，并引发严重的社会问题。开发一种能够预防交通事故发生并准确判定事故责任的智能交通监控系统势在必行。目前存在的交通监控系统通常只具有单一的检测功能，并且需要高电压来提供电能。3D水凝胶在可拉伸性、自愈性、柔韧性和生物相容性等方面具有显著的优势，在作为摩擦纳米发电机（TENG）的电极材料方面具有广阔的应用前景。通过部分替代水凝胶中的水，还可以有效解决寒冷气候TENG的结冰问题。

北京化工大学杨丹教授、于中振教授、北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队制备了一种新型聚乙烯醇(PVA)-聚丙烯酰胺(PAM)/单宁酸改性纤维素纳米晶双网络水凝胶(PPC)，构建了基于压阻效应的驾驶员状态检测和基于摩擦电效应的车辆状态监测的自愈合、全天候、自供电智能交通监控系统（图1）。水凝胶中大量的氢键和动态硼酯键赋予PPC应变传感器优异的自愈合性能。此外，用甘油部分替代PPC中的水，使得智能交通监控系统能够全天候运行（图2）。基于PPC的应变传感器具有高达8.39的GF和快速响应时间，可以精确监测驾驶员手指、手腕和肘关节的弯曲运动，甚至通过检测驾驶员喉咙的吞咽频率判断其是否处于睡眠状态（图3）。此外，将PPC组装成TENG，可以进一步将其制备成自供电智能手环来检测驾驶员动作（图4）。将PPC包埋在表面有凸起阵列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，制备成单电极TENG传感器，可以检测车辆的瞬时速度和质量（图5）。集成多个TENG传感器，可以有效测量车辆的平均速度，判定交通事故的责任，并能防止疲劳驾驶事件的发生（图6）。总之，自愈合、全天候、自供电智能交通监控系统可以实时监测驾驶员和车辆的行驶状态，在未来智能交通和城市系统中具有广阔的应用前景。

图1. PPC水凝胶的合成路线图以及基于PPC的智能交通监控系统。

图2.PPC水凝胶的基本性能表征。

图3. PPC水凝胶基应变传感器的性能测试。

图4. PPC水凝胶基摩擦纳米发电机的制备及应用。

图5. 智能交通监测系统对车辆瞬时、平均车速的测量，以及进行桥梁承重安全的检查。

图6. 智能交通监控系统中的交通事故责任判定和疲劳驾驶事故预警。

相关工作以“All-Weather Self-Powered Intelligent Traffic Monitoring System Based on a Conjunction of Self-Healable Piezoresistive Sensors and Triboelectric Nanogenerators”为题发表在功能材料顶级期刊Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202308845）上。论文第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院博士生李永吉，通讯作者为北京化工大学杨丹教授、于中振教授和北京纳米能源与系统研究所王中林院士。该论文得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308845

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（责任编辑：xu）

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