柔性木質摩擦電自供電智慧家居系統
木質自供電智慧家居系統
【導讀】：
隨著物聯網、人工智慧、大資料的快速發展，智慧家居在人類生活和智慧城市中發揮著至關重要的作用，需要大量應用分散式感測器。中國科學院北京奈米能源與奈米系統研究所報告了一種用於構建智慧家居系統的天然木質摩擦電自供電感測器 (WTSS)。基於對天然木材的有效和簡單的處理策略，WTSS 顯示出卓越的靈敏度、柔韌性、穩定性和薄度。由於木質材料在家居建築中的廣泛使用，WTSS與家居設施相結合，應用於智慧家居控制系統、智慧密碼門禁系統和智慧地板監控三種實時人機介面。系統具有成本低、操作方便、環保等優點。
隨著物聯網(IoT) 裝置和人工智慧使用的增加，智慧家居應用的技術開發在提高人們的生活質量和健康方面發揮著越來越重要的作用。設定和執行智慧家居系統的關鍵元件是感測裝置——用於光、溫度、運動、壓力等——它們分佈在整個家庭環境中，是所有家庭控制系統的基礎。
傳統感測器由於需要電源而面臨侷限性，例如使用電池時壽命有限、成本高和環境汙染等。因此，尋找低成本、長期穩定、高靈敏度的感測技術是降低智慧家居普及門檻的關鍵。
為了透過可能的解決方案解決這個問題，中國科學院北京奈米能源與奈米系統研究所王中林院士團隊研究人員開發了一種柔性木質摩擦電自供電感測器，用於智慧家居系統。正如該團隊在ACS Nano（“柔性木質摩擦電自供電智慧家居系統”）中所報告的那樣，透過使用有效且簡單的加工方法，製造的木質感測器具有許多優點，包括重量輕、厚度薄、高靈敏度、靈活性和穩定性。
柔性木質摩擦電自供電感測器（WTSS）的製造過程示意圖如下圖所示：
1. 木質摩擦電自供電智慧家居系統的示意圖和製造。(a) WTSS 的製造過程圖。(b) 支援 WTSS 的智慧家居系統示意圖。WTSS 在家電控制、門鎖和地板方面的潛在應用。(c-e) 準備好的 WTSS 的照片，展示了它的 (c) 柔韌性、(d) 厚度和 (e) 重量。比例尺：2 釐米。
首先，透過在NaOH和Na 2 SO 3 的混合溶液中化學煮沸然後熱壓的兩步策略將天然輕木轉化為柔性木材。然後，將獲得的厚度為 0.1 mm 的柔性木材用於製造摩擦電自供電感測裝置。研究人員指出，化學處理在 WTSS 的生產中起著至關重要的作用。
將柔性木片切成小尺寸作為電介質帶電層。然後，在柔性木材上貼上一層相同尺寸的銅膜作為電極層，製成WTSS。最後，將銅線連線到銅膜上進行電連線。
WTSS 的感測機制是基於接觸帶電和靜電感應的耦合效應。在接近和加壓的過程中，電荷轉移發生在商業 PTFE 薄膜和木膜之間的接觸介面上。
尺寸是決定輸出電壓以及 WTSS 靈敏度的主要因素。對於不同尺寸（邊長從 1 到 5 cm）的 WTSS，它們的輸出電壓與物體面積呈正相關，這歸因於較大的接觸面積引起的摩擦電荷。
圖 2. WTSS 在智慧家居控制中的應用。智慧家電控制系統示意圖。
該團隊透過將他們的WTSS與家居傢俱、簡單的信號控制電路和一些家用電器相整合，開發了一個自供電的智慧家電控制系統。如上圖2所示，當觸控與傢俱整合的WTSS時，會產生明顯的輸出訊號。透過訊號處理和無線訊號傳輸，可以遠端控制家用電器。
作者展示的另一個應用是智慧地板監控系統。WTSSs採用木質材料製作，可輕鬆與木地板整合，實現自供電行走行為和健康監測。當人們在地板上行走時，會產生與每個觸控位置對應的輸出電壓訊號，並透過多通道資料採集方法進行採集。經過訊號處理和分析，可以同時實現步態特徵記錄、路徑跟蹤、安全監控等多種功能。
圖 3 WTSS 在智慧樓層監控系統中的應用。(a) 智慧樓層監控系統示意圖。(b) 基於 WTSS 的智慧地板的照片。比例尺：20 釐米。(c) 智慧樓層監控系統演示介面。(d) 不同壓力下智慧地板的輸出電壓訊號。(e) 測試人員行走 (i) 和跌倒在智慧地板 (ii) 上的照片。(f) 測試儀在智慧地板上行走的輸出電壓訊號。(g) 測試人員在智慧地板上行走的路徑顯示。(h) 測試儀落在智慧地板上的輸出電壓訊號。(i) 智慧地板監控系統在跌倒時的感應區域的亮點和警報。
“由於其簡單的製造過程和豐富的材料來源，WTSS可以大大提高生活環境的安全性、便利性和舒適性，”作者總結他們的論文。“這項研究展示了環保型WTSS在建設智慧家居和智慧城市方面的應用前景，這將為未來可持續社會的發展帶來巨大機遇。”
