研究背景
基于摩擦纳米发电机 (TENG) 的自供电传感器的商业化在现代社会中变得越来越重要，特别是在可持续能源应用领域。然而，这种自供电传感器的商业可行性仍受到巨大的挑战，包括开发兼具出色耐用性和高电荷传输能力的材料、解决高振幅电压脉冲的信号调节问题以及与微控制器的集成。尽管橡胶材料表现出优异的耐用性并且非常适合高负荷应用，但其固有的低摩擦电性能限制了它们在摩擦电传感器中的使用。
文章概述
该文通过刮刀技术制造了高度耐用且可拉伸的乳胶复合丁腈橡胶 (NBR) 基薄片，以实现机械能收集并用作自供电传感器，例如速度传感器和方向传感器。摩擦电正极材料 NBR 与 (氧化铟锡) ITO 作为摩擦负极材料搭配使用时，具有良好的耐用性和 24 nC/cm2 的高电荷传输密度。丁腈橡胶用于对称 TENG 结构，以开发用于自供电速度感应应用的路钉。与微控制器的集成实现了无线速度监控，可有效满足高速应用的需求。此外，通过利用 NBR 作为活性摩擦正电材料，开发出一种高响应自供电方向传感器，用于检测向前和向后的人体运动。利用 TENG 的电容充电特性来解决控制不受调节的摩擦电压脉冲的问题，确保与微控制器无噪声集成，以实现实时方向感应。最后，成功演示了一种集成两个摩擦电方向传感器的摩擦电行人过街检测器 (PCD)，用于计算等待过马路的乘客人数。
该研究以“High-Performance Latex-Compounded Nitrile Rubber for Self-Powered Intelligent Traffic Monitoring with Advanced Signal Conditioning”为题发表在《ACS Applied Engineering Materials》上。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsaenm.4c00525
图文导读
图 1. NBR 薄膜特性及性能评价。(a) NBR 薄膜的 FTIR 光谱。(b) NBR 薄膜和 PDMS 的机械强度测量。(c) NBR 与其它材料的开路电压、(d) 转移电荷密度和 (e) 短路电流。(f) 电压和力分布。(g) NBR 基 TENG 的运行机制。(h) NBR 薄膜的厚度优化。(i) NBR 薄膜相对于 ITO 的样品间性能变化。
图 2. 对称 TENG 的制造和电气特性。（a）对称 TENG 的结构。（b）对称 TENG 的照片。（c）对称 TENG 的电位分布。（d）对称 TENG 的转移电荷。（e）对称 TENG 的输出电压。（f）对称 TENG 的输出电流。（g）电压和电流随负载电阻的变化。（h）设备功率与负载电阻的关系。（i）集成在道路钉上的对称TENG的照片。
图3. 速度传感器演示。（a） 使用摩擦电动路钉检测不同速度下的轮胎速度。（b） 微控制器集成速度传感连接图。（c） 速度监控截图。（d）使用物联网云进行实时速度监控的数据流图和截图。
图4。方向传感器演示。（a） 照片和（b）方向传感器的结构。（c） 电压和电流相对于负载电阻的变化。（d） 设备在5 N和10 Hz下的功率密度。（e） 人体步态示意图。在（f）前进和（g）后退行走过程中，使用方向传感器对乘客进行步态分析。
图5.行人过街探测器（PCD）的演示。（a） PCD启用的流量管理示意图。（b） 使用TENG以10 N的力和2 Hz的频率驱动电容器进行充电和放电。（c） 电容式方向传感器连接图。（d） 方向传感器工作原理框图。（e） 四次随机行走时方向传感器的输出，其中活动区域在图中放大。使用摩擦电人行横道检测器实时检测等待过马路的乘客数量：（f）当三名乘客通过PCD1进入并通过PCD2离开时；（g） 当三名乘客通过PCD2进入并通过PCD1离开时；（h） 当两名乘客通过PCD2进入，一名通过PCD1进入时；以及（g）当两名乘客通过PCD1进入，一名乘客通过CPD2进入时。图（e）-（i）中的绿色直方图表示人数。
总结
综上所述，该研究探索了丁腈橡胶 (NBR) 乳胶膜在道路传感器 中的应用，强调了其高效的电荷转移特性。当 NBR 与氧化铟锡 (ITO) 配对时，实现了 70 V 峰值电压、24 nC/cm2 的电荷转移和 12 μA/cm2 电流密度。对称 TENG 是专门为创建用于速度传感的高灵敏度冲击传感器而设计的。该研究还建立了一个实时无线速度监测系统，通过 Arduino IoT 云平台编写数据处理。此外，该研究介绍了一种新颖的应用，即集成三个高响应 NBR 基 TENG 来开发方向传感器，这是首次利用这种技术进行步态分析和人体运动方向传感。利用 TENG 的电容器充电特性，提出并演示了一种用于调节电压灵敏度的开创性方法，确保与微控制器的集成平稳且无噪音。此外，还制造了一个自供电行人过马路检测器，并开发了一种通过集成方向传感器来检测等待过马路的行人数量的算法。结果和演示强调了基于 NBR 的摩擦纳米发电机在与道路安全相关的应用中的巨大潜力。
编辑：无痕 | 审核：树屋鼠
