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北京化工大學(xué)楊丹教授 Nano Energy：自供電、自修復(fù)、抗凍摩擦電傳感器用于體育賽事違規(guī)檢測
2024-01-24  來源：高分子科技

  隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，基于智能傳感技術(shù)的體育賽事訓(xùn)練統(tǒng)計(jì)和比賽分析在競爭公平性方面顯得尤為重要。自從冰壺運(yùn)動被認(rèn)定為冬奧會比賽項(xiàng)目以來，受到人們越來越多的關(guān)注，并逐漸發(fā)展為陸地冰壺運(yùn)動。然而，比賽過程中，對冰壺石的實(shí)時監(jiān)控主要依靠高速攝像機(jī)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(yīng)用于冰壺比賽中的傳感監(jiān)測系統(tǒng)主要依賴于安裝于冰壺石內(nèi)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(huán)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(yùn)動中的采購和維護(hù)成本。


  北京化工大學(xué)楊丹教授團(tuán)隊(duì)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(wǎng)絡(luò)體系中，制備出一種自愈合、抗凍、抗菌納米復(fù)合水凝膠（PAGCA），并將其構(gòu)建成基于壓阻效應(yīng)的冰壺運(yùn)動員姿勢檢測和基于摩擦電效應(yīng)的冰壺石違規(guī)檢測系統(tǒng)，從而可以有效提高運(yùn)動員的訓(xùn)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(yōu)異的自愈合性能，其自愈合效率高達(dá)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(wěn)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(fù)制，影響細(xì)菌細(xì)胞的活力，使得PAGCA殺菌效率達(dá)到100%（圖2）。基于PAGCA的應(yīng)變傳感器具有較高的靈敏度和快速響應(yīng)時間，可以精確監(jiān)測冰壺運(yùn)動員的各種關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動，從而有效提高運(yùn)動員日常訓(xùn)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(wěn)定性能（圖4）。集成多個TENG傳感器，可以實(shí)時檢測冰壺石的有效性、發(fā)球違例及刷冰狀態(tài)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(jìn)行碰撞分析（圖6）。總之，基于PAGCA的自供電和自修復(fù)違規(guī)檢測系統(tǒng)，不僅為冰壺比賽中的違規(guī)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(yùn)動員智能和數(shù)字化訓(xùn)練中的應(yīng)用前景。 


圖1.PAGCA水凝膠的制備路線以及基于PAGCA的智能違規(guī)運(yùn)動檢測系統(tǒng)。


圖2.PAGCA水凝膠的基本性能表征。


圖3.PAGCA基應(yīng)變傳感器的性能表征。


圖4.PAGCA基摩擦發(fā)電機(jī)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(fā)球違規(guī)以及刷冰狀態(tài)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(tài)分析。


  相關(guān)工作以“Self-powered, self-healing, and anti-freezing triboelectric sensors for violation detection in sport events”為題發(fā)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生田中原，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://authors.elsevier.com/sd/article/S2211-2855(24)00024-7

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