中科院纳米能源所李舟课题组和陈翔宇课题组《AFM》：基于摩擦纳米发电机和介电弹性体的可擦写盲文显示系统

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根据世界卫生组织发布的数据显示，全世界已有超过3600万名盲人。由于视力受损，盲人无法像正常人一样学习和阅读。盲文是专为盲人设计、靠触觉感知的文字。它们由6个触点组成，这些触点被排列成三行两列，可以组合成不同的字符。通过触摸，盲人可以从盲文书中获得文本信息。但是，现在的纸制盲文书籍较为厚重，且内容无法更新，难以快速、实时地给盲人提供最新的信息。

介电弹性体是一种电活性聚合物，在电场作用下会产生大幅的形变，并在电场消失后立即恢复其原始尺寸，具有轻便、可快速变形的能力，适于制作新型可擦写盲文显示设备。但是，常见的介电弹性体驱动装置都是高压电源，不仅重量大、耗电量大、价格也很昂贵，难以用于便携的盲文显示设备，而且高压电源还对人体有安全隐患。因此，如果有一种轻便、经济、安全的装置能产生高电压来驱动介电弹性体薄膜，将使便携的、可擦写盲文书成为现实，给众多无法使用触摸屏的盲人带来真实“可触”的好处。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟课题组与陈翔宇课题组，以摩擦纳米发电机（TENG）为高压源，研制了一种基于介质弹性体的盲文显示系统，该系统具有简单轻巧、制作成本低，安全可靠等特点。研究者通过优化器件设计，使TENG产生3000多伏的电压，其短路电流仅为微安级，不会对人体产生任何危害，可驱动介电弹性体薄膜，使其发生形变，并成为可触摸的盲文触点；基于此，研究者设计了盲文显示器件基础单元（以下简称盲文单元），并加入程控开关矩阵实现了可擦写的复杂显示方案，使该器件具有了刷新和显示不同盲文字符的功能，可构建盲文显示阵列，展示了作为可擦写盲文显示系统的潜力，为设计便携式盲文电子书提供了新的技术和思路。相关成果以” Refreshable Braille Display System Based on Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer”为题发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials (2020, 2006612).

图1. 可擦写盲文展示系统的设计

如图1所示，整个盲文显示系统由盲文单元、TENG和控制模块组成。采用单电极滑动式TENG作为驱动源。盲文单元的主体部分为具有柔性电极（碳脂电极）的介电弹性体，单元内有空腔。

图2. TENG的电学表征

如图2所示，经过等离子体刻蚀的Kapton薄膜有效地提高了TENG的输出性能。为了更好地说明TENG作为高压源的安全优势，研究者分别测量由TENG和商用高压电源驱动的介电弹性体的击穿电流（I_break）。结果表明由TENG引起的I_break（44.34 μA）远远小于由商用高压电源引起的I_break（28663 μA）。图2c, 2d, 2e分别是对面积为16cm² TENG的电学表征

图3. TENG驱动介电弹性体的原理及影响触点突起高度的因素

如图3所示，TENG驱动介电弹性体的原理为：根据摩擦电序列，Kapton具有比Al更强的电负性。初始状态下Kapton膜的表面上聚集负电荷，而在Al箔的表面上聚集等量的正净电荷。TENG在滑动过程中，电子从Al注入到Kapton中，这两种材料之间会出现压降，连接在TENG与地之间的介电弹性体具有电容特性，因此将承受这种压降。受麦克斯韦力的影响，介电弹性体薄膜被横向拉伸，盲文单元内的气体将其转变为突起的触点。腔体的气压(图3c, 3d, 3f)、TENG的面积(图3d, 3e)、以及介电弹性体的预拉伸率是影响触点突起高度的主要因素。图3g, 3h分别为TENG驱动介电弹性体时，TENG电荷的积累与释放过程，和相应触点突起高度的升降过程。

图4. 具有六个介电弹性体触点的盲文显示单元

如图4所示，研究人员设计具有六个触点的盲文显示单元，并用阵列化的TENG驱动每个触点以确保每个触点都能获得良好的驱动力，并同时展示A, B, C三个盲文字符。

图5. 加入控制器的可擦写盲文显示系统

如图5所示，控制器的加入，使同一个盲文单元实现不同盲文字符的展示。研究者用同个盲文单元分别展示T, E, N, G四个盲文字符，实现了盲文的可擦写展示功能。图5c是对对便携式可擦写盲文电子书的展望。

结论：该研究提出了一种基于TENG和介电弹性体的可擦写盲文显示系统的设计思路，并进行系统展示。利用TENG输出的上千伏电压，使介电弹性体薄膜形变，从而形成盲文触点，并通过可控开关，通过程序控制使每个盲文单元显示不同的盲文字符。整个系统易于制造，安全且方便，虽然要实际应用还要解决很多技术问题，但是本研究为便携式可擦写盲文电子书提供了一种新的思路和可能。

论文第一作者为曲学铖、马秀、石波璟，论文通讯作者为李舟研究员和陈翔宇研究员。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006612

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