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北京化工大學楊丹教授 Nano Energy：自供電、自修復、抗凍摩擦電傳感器用于體育賽事違規檢測

2024-01-24 來源：高分子科技

隨著物聯網和大數據的快速發展，基于智能傳感技術的體育賽事訓練統計和比賽分析在競爭公平性方面顯得尤為重要。自從冰壺運動被認定為冬奧會比賽項目以來，受到人們越來越多的關注，并逐漸發展為陸地冰壺運動。然而，比賽過程中，對冰壺石的實時監控主要依靠高速攝像機和裁判的主觀判斷，通常會造成一定程度地不公平判罰。目前，應用于冰壺比賽中的傳感監測系統主要依賴于安裝于冰壺石內部的熱傳感器。該熱傳感器不僅需要繁瑣的充電過程，并且目前的供電形式可能帶來環境污染問題。更為重要的是，一旦冰壺中的熱傳感器損壞，冰壺石不得不被丟棄，增加了比賽運動中的采購和維護成本。

北京化工大學楊丹教授團隊通過原位聚合，將鍍銀碳納米管（CNT@TA@Ag）均勻分散在明膠和聚丙烯酰胺（PAM）雙網絡體系中，制備出一種自愈合、抗凍、抗菌納米復合水凝膠（PAGCA），并將其構建成基于壓阻效應的冰壺運動員姿勢檢測和基于摩擦電效應的冰壺石違規檢測系統，從而可以有效提高運動員的訓練效率和裁判判罰的公平性（圖1）。PAM、明膠和CNT@TA@Ag雜化填料中豐富的氫鍵相互作用賦予PAGCA優異的自愈合性能，其自愈合效率高達92%以上。采用甘油置換水凝膠中的部分水，可以有效防止冰晶形成，從而賦予PAGCA抗凍特性，其在零下30度仍保持良好穩定性能。CNT@TA@Ag雜化填料表面上的銀納米粒子可以釋放出銀離子(Ag⁺)，從而抑制DNA復制，影響細菌細胞的活力，使得PAGCA殺菌效率達到100%（圖2）。基于PAGCA的應變傳感器具有較高的靈敏度和快速響應時間，可以精確監測冰壺運動員的各種關節彎曲運動，從而有效提高運動員日常訓練效率（圖3）。此外，將PAGCA包埋入PDMS中，組裝成的單電極TENG在零下30度可以正常工作，并保持良好穩定性能（圖4）。集成多個TENG傳感器，可以實時檢測冰壺石的有效性、發球違例及刷冰狀態分析（圖5）。此外，TENG傳感器還可以判斷冰壺石的具體位置并進行碰撞分析（圖6）。總之，基于PAGCA的自供電和自修復違規檢測系統，不僅為冰壺比賽中的違規檢測提供了一種智能方法，而且還展示了其在其它體育賽事中快速、公平的判罰以及運動員智能和數字化訓練中的應用前景。

圖1.PAGCA水凝膠的制備路線以及基于PAGCA的智能違規運動檢測系統。

圖2.PAGCA水凝膠的基本性能表征。

圖3.PAGCA基應變傳感器的性能表征。

圖4.PAGCA基摩擦發電機的制備及性能表征。

圖5. PAGCA基摩擦電傳感器用于判斷冰壺石是否有效、檢測發球違規以及刷冰狀態分析。

圖6. PAGCA摩擦電傳感器檢測冰壺石的具體位置及其碰撞狀態分析。

相關工作以“Self-powered, self-healing, and anti-freezing triboelectric sensors for violation detection in sport events”為題發表在頂級期刊Nano Energy（10.1016/j.nanoen.2024.109276）上。論文第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院碩士生田中原，通訊作者為北京化工大學楊丹教授。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://authors.elsevier.com/sd/article/S2211-2855(24)00024-7

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（責任編輯：xu）

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