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一周科技盘点:北科大新研究助力可穿戴设备与智能家居研发等

已有 763 次阅读 2018-9-10 09:28 |个人分类:Physical Science|系统分类:论文交流

 

北科大新研究助力可穿戴设备与智能家居研发

 

大自然中,水的力量非常强大,比如经过数千年的侵蚀后形成非常壮观的峡谷和悬崖。为了将水的能量转化为电能,人类先是发明了河流水轮,然后出现了水力发电站和潮汐发电厂。尽管非常有效,但所有这些方法都需限定在特定位置上,甚至需要特定时间(潮汐)或季节(水位)。由于这些限制,水能转化为电能的应用,无法做到个性化和分散式。

 

然而,我们经常可以在下大雨的时候,听见类似击鼓的声音,尤其是撑伞时,或者在有顶的亭台下面,等等。为什么不试着把它变成电力呢?不幸的是,单一雨滴的能量实在太小,无法通过传统技术来获取并转换为电力:发电厂使用的电磁发电机需要大量的水才可发电。而且每天拖着这样的设备,那是多么不方便。目前为止,能够克服这些缺陷的压电器件效率都很低,还缺乏利用这些小功率电涌的有效手段。

 

廖庆亮、张跃和北京科技大学的同事在Advanced Functional Materials上发表了一篇论文,介绍了一种液压摩擦纳米发电机(H-TENG),可以作为一种经济、轻便和高效的可穿戴水能转化设备。为了获得稳定的直流电,而非降雨本身产生的不稳定交流电,研究人员将T-TENG集成了阻抗匹配的光纤超级电容器。该装置的两亲性使其具备了方便的自清洁功能。

 

该设备可以作为发电雨衣,淋雨产生的电力可以驱动LED 300秒。为了实现其在智能服装和可穿戴设备的商业应用,研究人员还需要提高功率密度和改善系统的稳定性。

 

张跃教授希望他的工作能够对可穿戴设备、智能家居和物联网的电力系统的未来发展有所启发,特别是利用与水有关的清洁能源。



点击链接阅读文章:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803117

 


首尔国立大学设计出具有变色能力的仿生柔性致动器

 

植物、动物和昆虫的独特生理特征为软机器人领域新颖而复杂的审美和致动能力,包括伪装能力,提供了灵感。

 

在一篇发表于Advanced Functional Materials的论文中,首尔国立大学的Jinhyeong Kwon博士和Seung Hwan Ko教授及其同事设计了具有仿生致动能力的色移各向异性柔性致动器(CASA)。

 


Hyeonseok Kim说道:“传统热操作柔性致动器具有局限性,因为其功能取决于整个设备的几何形状,并且加热器的设计很复杂。然而,利用聚合物的各向异性热膨胀特性,我们可以通过简单地改变聚合物的方向来轻松地编制程序。“

 

具有不同纵横比的CASA可以在加热时以相同的曲率在相同方向上弯曲,而且在冷却后恢复到初始形状。通过将低密度聚乙烯薄膜(LDPE膜)的纵向方向相对于致动器的纵向方向改变至90°,在宽度方向上会产生扭曲和弯曲。

 

Hyeonseok Kim说:“通过在上述致动聚合物上应用热敏颜料,我们可以成功模拟动物的运动和着色。这可能会在仿生柔性致动器领域产生重大影响。”

 

点击链接阅读文章:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801847



黏性电子设备可作为神经探针与大脑相连


电子设备与人体组织的整合是长期以来的一大挑战。其中需要解决的一个问题是材料的机械性能与软组织结构的不匹配,这可能影响器件的性能和可靠性。因此,人们越来越关注如何制造可以整合到组织中的可兼容电子设备。尽管在弹性体上运用不同的技术来设计柔性电子装置,但这些装置的刚性并不与软组织的刚性相近,例如在大脑中的软组织。

 

为此,由卡内基·梅隆大学的Christopher J. Bettinger为首的一组研究人员描述了一种通过转移印刷将多电极阵列与软粘合剂水凝胶集成的超级兼容的电子设备,这种技术将电子与膨胀聚合物网络集成在一起。他们在周围神经系统进行了体内神经记录,证明了这些装置粘附于下层组织并记录单个单位神经活动的能力。这进一步验证了装置的机械性能与神经组织之间有了更好的匹配,从而提高了记录稳定性和可靠性。

 

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这项研究提供了一般的制造策略,解决了几个问题,比如水凝胶和微细加工技术不相容的问题,以及水凝胶与电子结构的粘附性差的问题。 这些超级兼容的、基于水凝胶的电子产品,因为其卓越的机械性能,可与兴奋性器官(如脊髓,大脑和心脏)相互作用。

 

正如主要作者Christopher J. Bettinger教授所说,“如果我们能够制造机械性能更接近果冻而非木材或塑料的电子设备,那么我们就可以以更良性的方法,悄悄地将神经探针与大脑连接起来。”

 

研究的下一个里程碑将是提高这些基于水凝胶的电子设备的长期可靠性。


点击链接阅读文章:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801059



新型生物电传感器有望应用于电子皮肤研发


人体皮肤是一个迷人而多功能的器官,饱含感官神经元,使我们能够感受到外部刺激,如压力、张力、振动和温度,具有惊人的精确度和灵敏度。这些属性在动物世界中无处不在,而有一些动物的皮肤还可以对光作出反应,使皮肤具有额外的交流和伪装功能。这种光响应特征最常见于变色龙和一些章鱼种类。


在仿生学和仿生修复领域,理解皮肤的工作原理对于所谓的电子皮肤(e-skin)的发展十分重要。既然电子皮肤能够模仿人类真皮的自然功能,且具有现代技术的潜力,一起看起来都非常好,那么为什么不继续研究下去呢?


来自新加坡国立大学和英国布里斯托尔大学的Swee Ching Tan教授及其同事也问了同样的问题,他们开发了一种非常灵活的生物电传感器,具有用作电子皮肤的可能,对触摸和光有感应。


有趣的是,他们的灵感来自植物,而非动物。他们已经认识到通过光合作用,一些植物物种仅靠从光合作用中收获的一小部分,就能表现出感官能力,因此可以达到能量上的自给自足。


通过直接从阳光中获取能量,电子皮肤原型为这种自给自足的皮肤假体铺平了道路。这种装置由顶层和底层氧化锡聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(ITO-PET)和镀金PET组成,它夹有光合蛋白RC-LH1和泛醌-0 /丁二腈凝胶骨架的两相配方。


在紫外线下(紫外线对人体皮肤有害),这种合成蛋白质的电子皮肤可以作为监视器,当佩戴者过度暴露于紫外线辐射时,便会警告佩戴者。此外,由于它也是光化学电池,入射光还能够给电子皮肤产生额外的电能。


由于能量过剩,所以即使在黑暗中,甚至在水下,电子皮肤也能以电信号的形式快速响应压力和触摸。如下图所示:


1.jpg

电子皮肤浸入水中(左图),然后通过触摸(右图)发出电信号。


据作者所知,这是第一款具有两种不同刺激功能的电子皮肤设备。希望未来可以使用这种设备来为连接到电子皮肤的更小电子设备供电,用于大量的健康监测应用。


在未来,随着电子可穿戴设备和技术生物界面的发展,使用这样的光合作用皮肤,我们和植物之间将拥有更多的共同点。


点击链接阅读文章:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802290





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1 李剑超

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