北化工楊丹教授、于中振教授、北京納米能源所王中林院士 AFM：自愈合、全天候、自供電智能交通監控系統

背景：

據統計，每年約有130萬人死于道路交通事故，給家庭造成嚴重損失，并引發嚴重的社會問題。開發一種能夠預防交通事故發生并準確判定事故責任的智能交通監控系統勢在必行。目前存在的交通監控系統通常只具有單一的檢測功能，并且需要高電壓來提供電能。3D水凝膠在可拉伸性、自愈性、柔韌性和生物相容性等方面具有顯著的優勢，在作為摩擦納米發電機（TENG）的電極材料方面具有廣闊的應用前景。通過部分替代水凝膠中的水，還可以有效解決寒冷氣候TENG的結冰問題。

北京化工大學楊丹教授、于中振教授、北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊制備了一種新型聚乙烯醇(PVA)-聚丙烯酰胺(PAM)/單寧酸改性纖維素納米晶雙網絡水凝膠(PPC)，構建了基于壓阻效應的駕駛員狀態檢測和基于摩擦電效應的車輛狀態監測的自愈合、全天候、自供電智能交通監控系統（圖1）。水凝膠中大量的氫鍵和動態硼酯鍵賦予PPC應變傳感器優異的自愈合性能。此外，用甘油部分替代PPC中的水，使得智能交通監控系統能夠全天候運行（圖2）。基于PPC的應變傳感器具有高達8.39的GF和快速響應時間，可以精確監測駕駛員手指、手腕和肘關節的彎曲運動，甚至通過檢測駕駛員喉嚨的吞咽頻率判斷其是否處于睡眠狀態（圖3）。此外，將PPC組裝成TENG，可以進一步將其制備成自供電智能手環來檢測駕駛員動作（圖4）。將PPC包埋在表面有凸起陣列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，制備成單電極TENG傳感器，可以檢測車輛的瞬時速度和質量（圖5）。集成多個TENG傳感器，可以有效測量車輛的平均速度，判定交通事故的責任，并能防止疲勞駕駛事件的發生（圖6）。總之，自愈合、全天候、自供電智能交通監控系統可以實時監測駕駛員和車輛的行駛狀態，在未來智能交通和城市系統中具有廣闊的應用前景。

【圖文導讀】

圖1. PPC水凝膠的合成路線圖以及基于PPC的智能交通監控系統。

圖2.PPC水凝膠的基本性能表征。

圖3. PPC水凝膠基應變傳感器的性能測試。

圖4. PPC水凝膠基摩擦納米發電機的制備及應用。

圖5. 智能交通監測系統對車輛瞬時、平均車速的測量，以及進行橋梁承重安全的檢查。

圖6. 智能交通監控系統中的交通事故責任判定和疲勞駕駛事故預警。

相關工作以“All-Weather Self-Powered Intelligent Traffic Monitoring System Based on a Conjunction of Self-Healable Piezoresistive Sensors and Triboelectric Nanogenerators”為題發表在功能材料頂級期刊Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202308845）上。論文第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院博士生李永吉，通訊作者為北京化工大學楊丹教授、于中振教授和北京納米能源與系統研究所王中林院士。該論文得到了國家自然科學基金和中央高校基礎研究基金的資助。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202308845