北京化工大学杨丹教授 Nano Energy：自供电、自修复、抗冻摩擦电传感器用于体育赛事违规检测

2024-01-24 来源：高分子科技

随着物联网和大数据的快速发展，基于智能传感技术的体育赛事训练统计和比赛分析在竞争公平性方面显得尤为重要。自从冰壶运动被认定为冬奥会比赛项目以来，受到人们越来越多的关注，并逐渐发展为陆地冰壶运动。然而，比赛过程中，对冰壶石的实时监控主要依靠高速摄像机和裁判的主观判断，通常会造成一定程度地不公平判罚。目前，应用于冰壶比赛中的传感监测系统主要依赖于安装于冰壶石内部的热传感器。该热传感器不仅需要繁琐的充电过程，并且目前的供电形式可能带来环境污染问题。更为重要的是，一旦冰壶中的热传感器损坏，冰壶石不得不被丢弃，增加了比赛运动中的采购和维护成本。

北京化工大学杨丹教授团队通过原位聚合，将镀银碳纳米管（CNT@TA@Ag）均匀分散在明胶和聚丙烯酰胺（PAM）双网络体系中，制备出一种自愈合、抗冻、抗菌纳米复合水凝胶（PAGCA），并将其构建成基于压阻效应的冰壶运动员姿势检测和基于摩擦电效应的冰壶石违规检测系统，从而可以有效提高运动员的训练效率和裁判判罚的公平性（图1）。PAM、明胶和CNT@TA@Ag杂化填料中丰富的氢键相互作用赋予PAGCA优异的自愈合性能，其自愈合效率高达92%以上。采用甘油置换水凝胶中的部分水，可以有效防止冰晶形成，从而赋予PAGCA抗冻特性，其在零下30度仍保持良好稳定性能。CNT@TA@Ag杂化填料表面上的银纳米粒子可以释放出银离子(Ag⁺)，从而抑制DNA复制，影响细菌细胞的活力，使得PAGCA杀菌效率达到100%（图2）。基于PAGCA的应变传感器具有较高的灵敏度和快速响应时间，可以精确监测冰壶运动员的各种关节弯曲运动，从而有效提高运动员日常训练效率（图3）。此外，将PAGCA包埋入PDMS中，组装成的单电极TENG在零下30度可以正常工作，并保持良好稳定性能（图4）。集成多个TENG传感器，可以实时检测冰壶石的有效性、发球违例及刷冰状态分析（图5）。此外，TENG传感器还可以判断冰壶石的具体位置并进行碰撞分析（图6）。总之，基于PAGCA的自供电和自修复违规检测系统，不仅为冰壶比赛中的违规检测提供了一种智能方法，而且还展示了其在其它体育赛事中快速、公平的判罚以及运动员智能和数字化训练中的应用前景。

图1.PAGCA水凝胶的制备路线以及基于PAGCA的智能违规运动检测系统。

图2.PAGCA水凝胶的基本性能表征。

图3.PAGCA基应变传感器的性能表征。

图4.PAGCA基摩擦发电机的制备及性能表征。

图5. PAGCA基摩擦电传感器用于判断冰壶石是否有效、检测发球违规以及刷冰状态分析。

图6. PAGCA摩擦电传感器检测冰壶石的具体位置及其碰撞状态分析。

相关工作以“Self-powered, self-healing, and anti-freezing triboelectric sensors for violation detection in sport events”为题发表在顶级期刊Nano Energy（10.1016/j.nanoen.2024.109276）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生田中原，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://authors.elsevier.com/sd/article/S2211-2855(24)00024-7

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（责任编辑：xu）

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