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北化楊丹教授 Adv. Mater.：基于介電彈性體驅(qū)動器和摩擦納米發(fā)電機(jī)的自供電、自愈合仿人眼外肌驅(qū)動器
2023-12-09  來源：高分子科技

  由腫瘤、糖尿病、頭部損傷等引起的永久性動眼神經(jīng)麻痹（ONP）嚴(yán)重限制了病人的日常生活。急需開發(fā)一種可穿戴假體來輔助患者眼球運(yùn)動以提供更廣闊的視野范圍，從而有效提高ONP患者的生活質(zhì)量。介電彈性體驅(qū)動器（DEA）被譽(yù)為人工肌肉，但是其最外層的柔性電極易受到機(jī)械損傷和電損傷，使用壽命嚴(yán)重縮短。并且高達(dá)千伏的驅(qū)動電壓對人體和設(shè)備均存在潛在危害。制備一種安全穩(wěn)定的DEA對ONP患者的康復(fù)與治療具有重要理論和實(shí)際意義。


  北京化工大學(xué)楊丹教授團(tuán)隊(duì)基于亞胺鍵和氫鍵，向聚二甲基硅氧烷（PDMS）中引入多巴胺修飾的碳納米管（CNT-PDA），并采用對苯二甲醛進(jìn)行交聯(lián)，制備出具有自愈合性能的柔性電極，將其涂覆在丙烯酸酯介電彈性體上下表面，構(gòu)筑成自愈合介電彈性體驅(qū)動器（SDEA）（圖1，圖2）。在直流電源的驅(qū)動下，SDEA的電驅(qū)動應(yīng)變達(dá)至52.3%，在機(jī)械損傷后其電驅(qū)動應(yīng)變?nèi)匀豢梢曰謴?fù)至這一數(shù)值的90%以上。然而直流電源驅(qū)動下的SEDA很容易發(fā)生電擊穿，并且其電擊穿后的電驅(qū)動應(yīng)變僅能恢復(fù)至原來的20%左右（圖3）。為了提高SDEA的使用安全性，采用摩擦納米發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動SDEA，構(gòu)筑出TENG-SDEA體系，其在135.9 kV mm-1的電場下表現(xiàn)出50.6%的高驅(qū)動應(yīng)變，與直流電源驅(qū)動時的應(yīng)變相當(dāng)（圖4）。當(dāng)受到機(jī)械損傷，自愈合后的TENG-SDEA在10次循環(huán)后仍表現(xiàn)出90%以上的自愈合效率。更為重要的是，TENG的最高輸出電荷量是一個恒定值，當(dāng)瀕臨電擊穿或漏電時，靜電荷會迅速被消耗，TENG-SDEA不會發(fā)生電擊穿。將多個TENG-SDEA集成為具有定向運(yùn)動能力的仿人眼外肌驅(qū)動器，可以輔助眼球?qū)崿F(xiàn)8個方向上的運(yùn)動（圖5）。即使受到機(jī)械損傷后，仿人眼外肌驅(qū)動器的驅(qū)動位移仍能恢復(fù)至損傷前的80%以上。此外，SDEA可以用作實(shí)時監(jiān)測患者肌肉康復(fù)狀態(tài)的柔性電容傳感器，其可以對人的手指、手腕、肘關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動以及眼部運(yùn)動進(jìn)行精準(zhǔn)的監(jiān)測，并在實(shí)施5000個循環(huán)后仍能保持良好的穩(wěn)定性（圖6）；谧怨╇姟⒆杂戏氯搜弁饧◎(qū)動器與柔性電容傳感器協(xié)同構(gòu)筑成針對ONP患者的醫(yī)療輔助系統(tǒng)，在ONP患者的疾病控制和預(yù)防治療領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。


圖1. SDEA的制備及基于仿人眼外肌驅(qū)動器和柔性電容傳感器的醫(yī)療輔助系統(tǒng)的構(gòu)筑。 


圖2. CNT-PDA與自愈合柔性電極復(fù)合材料的制備與性能表征。 


圖3. SDEA在直流電源驅(qū)動下的驅(qū)動性能表征。 


圖4. TENG的制備及TENG-SDEA的驅(qū)動性能表征。


圖5. 仿人眼外肌驅(qū)動器的驅(qū)動性能表征。


圖6. 柔性電容傳感器對人體肌肉運(yùn)動的檢測及其循環(huán)穩(wěn)定性測試。


  相關(guān)工作以“Self-Powered and Self-Healable Extraocular-Muscle-Like Actuator Based on Dielectric Elastomer Actuator and Triboelectric Nanogenerator”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級期刊Advanced Materials（10.1002/adma.202309893）上。論文第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生劉?澤，通訊作者為北京化工大學(xué)楊丹教授。該論文得到了國家自然科學(xué)基金和中央高校基礎(chǔ)研究基金的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202309893

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