华南理工大学江赛华教授课题组《Nano Energy》：火场下监控人体运动的新型可穿戴传感器

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近日，华南理工大学机械与汽车工程学院安全科学与工程研究所江赛华教授课题组在极端环境下可穿戴传感器技术研究方面取得进展。该团队利用多种耐火材料，并结合灵活多样的MXene油墨电路，设计制备出了适用于火场环境下的自供电传感器。该传感器能够识别多种应急手势和复杂的步态模式，为可穿戴电子技术和安全智能防护装备领域提供了一种新颖的思路，相关论文以“Facile monitoring for human motion on fireground by using MiEs-TENG sensor”为题发表在学术期刊Nano Energy。

由于>200℃的火场中，工人或消防员面临陌生或危险的情况或多或少会做出一些不安全的行为，导致其生命安全受到较大的影响。近年来随着信息技术的进步，基于分布式传感器的数据驱动的运动监测可以提供实时的安全相关信息，帮助人们更安全、更智能地工作。然而传统的传感器由于外部供电会带来过多的能耗和复杂的布线，限制了运动监测的进一步发展。最近，基于摩擦纳米发电机（TENG）的自供能传感器因其无需外部电源，为人体运动监测提供了一个理想的平台。

针对于危险的火场高温环境，TENG具有鲜明的优势：

• 1. 它具有可持续性、最小化和独立性的特征，非常容易集成到人体上；

• 2. TENG的电输出信号，包括开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、频率、幅度等，可以主动发出并进一步分析以关联不同的运动；

• 3. 适用于TENG的材料选择范围非常广，许多有着杰出阻燃耐热性能的材料都可以用来组装TENG传感器。

因此，基于TENG传感器的运动监测在火场个人防护技术中展现出巨大的潜力。

到目前为止，已经进行了大量的关于防火耐热TENG传感器的工作。现有的阻燃耐热TENG报道中，工作的重心大多集中在材料本身上，使用的电极也仅仅局限于普通电极。这使得传感器对人体动作的识别被限制在简单的动作范围（步行、跑步、跌倒）。与此同时，复杂的材料制备也限制了其进一步商业化。研究团队提出了使用MXenes-inks印刷为可编程或图案化电路来收集各种人体动作信息，直接采用商用芳纶无纺布和耐热硅胶分别用作摩擦带电正极材料和摩擦带电负极材料进行TENG传感器的组装。芳纶织物/MiEs在高温（<400℃）环境中表现出良好的耐热和阻燃特性，同时还具有令人满意的摩擦电性能和<100 ohm/cm的电导率。研究团队全面的测试了传感器组成材料的摩擦电性能，耐热性能和阻燃性能，TENG传感器经过火焰直接燃烧前后的主动电输出如视频所示。

进一步，研究团队基于MiEs的图案化电路设计以及上述摩擦电材料的组合而巧妙开发出了紧急手势TENG（E-TENG）传感器和步态识别TENG（G-TENG）传感器。具体而言，E-TENG利用硅胶和芳纶组装成带有拱形结构的传感器，它可以感知手臂弯曲（其灵敏度为0.11 V/deg），以区分简单的紧急手势（停止、右转和左转）。

G-TENG传感器在感知压力分布和不同步态方面具有良好的性能。同时研究团队结合了机器学习中支持向量机的分类算法，首先利用一个G-TENG对向前走、向后走、向左跨步和向右跨步进行了步态分类，获得了92.85%的分类精度。随后，为了探索G-TENG更多的潜力，利用2个传感器对7个更复杂的步态（平路行走、下坡行走、跑步、右脚跳跃、双脚跳跃、上楼梯和下楼梯）进行了识别和分类（分类精度为92.18%）。团队基于MXenes-inks油墨电极和阻燃材料制备的自供电传感器可以很好的识别人体动作，有望用来真正意义上监测极端环境下人体动作，并进一步保护其安全。

华南理工大学硕士生孙平为该论文的第一作者，江赛华教授为文章的通讯作者，华南理工大学是论文第一单位。该研究工作得到了国家重点研发计划、广东省自然科学基金和火灾科学国家重点实验室开放基金等项目的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552100745X

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