北化杨丹教授 Adv. Mater.：基于介电弹性体驱动器和摩擦纳米发电机的自供电、自愈合仿人眼外肌驱动器

2023-12-09 来源：高分子科技

由肿瘤、糖尿病、头部损伤等引起的永久性动眼神经麻痹（ONP）严重限制了病人的日常生活。急需开发一种可穿戴假体来辅助患者眼球运动以提供更广阔的视野范围，从而有效提高ONP患者的生活质量。介电弹性体驱动器（DEA）被誉为人工肌肉，但是其最外层的柔性电极易受到机械损伤和电损伤，使用寿命严重缩短。并且高达千伏的驱动电压对人体和设备均存在潜在危害。制备一种安全稳定的DEA对ONP患者的康复与治疗具有重要理论和实际意义。

北京化工大学杨丹教授团队基于亚胺键和氢键，向聚二甲基硅氧烷（PDMS）中引入多巴胺修饰的碳纳米管（CNT-PDA），并采用对苯二甲醛进行交联，制备出具有自愈合性能的柔性电极，将其涂覆在丙烯酸酯介电弹性体上下表面，构筑成自愈合介电弹性体驱动器（SDEA）（图1，图2）。在直流电源的驱动下，SDEA的电驱动应变达至52.3%，在机械损伤后其电驱动应变仍然可以恢复至这一数值的90%以上。然而直流电源驱动下的SEDA很容易发生电击穿，并且其电击穿后的电驱动应变仅能恢复至原来的20%左右（图3）。为了提高SDEA的使用安全性，采用摩擦纳米发电机直接驱动SDEA，构筑出TENG-SDEA体系，其在135.9 kV mm^-1的电场下表现出50.6%的高驱动应变，与直流电源驱动时的应变相当（图4）。当受到机械损伤，自愈合后的TENG-SDEA在10次循环后仍表现出90%以上的自愈合效率。更为重要的是，TENG的最高输出电荷量是一个恒定值，当濒临电击穿或漏电时，静电荷会迅速被消耗，TENG-SDEA不会发生电击穿。将多个TENG-SDEA集成为具有定向运动能力的仿人眼外肌驱动器，可以辅助眼球实现8个方向上的运动（图5）。即使受到机械损伤后，仿人眼外肌驱动器的驱动位移仍能恢复至损伤前的80%以上。此外，SDEA可以用作实时监测患者肌肉康复状态的柔性电容传感器，其可以对人的手指、手腕、肘关节的弯曲运动以及眼部运动进行精准的监测，并在实施5000个循环后仍能保持良好的稳定性（图6）。基于自供电、自愈合仿人眼外肌驱动器与柔性电容传感器协同构筑成针对ONP患者的医疗辅助系统，在ONP患者的疾病控制和预防治疗领域显示出巨大的应用潜力。

图1. SDEA的制备及基于仿人眼外肌驱动器和柔性电容传感器的医疗辅助系统的构筑。

图2. CNT-PDA与自愈合柔性电极复合材料的制备与性能表征。

图3. SDEA在直流电源驱动下的驱动性能表征。

图4. TENG的制备及TENG-SDEA的驱动性能表征。

图5. 仿人眼外肌驱动器的驱动性能表征。

图6. 柔性电容传感器对人体肌肉运动的检测及其循环稳定性测试。

相关工作以“Self-Powered and Self-Healable Extraocular-Muscle-Like Actuator Based on Dielectric Elastomer Actuator and Triboelectric Nanogenerator”为题发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials（10.1002/adma.202309893）上。论文第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院硕士研究生刘?泽，通讯作者为北京化工大学杨丹教授。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/adma.202309893

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（责任编辑：xu）

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