基于生物α螺旋仿生形状记忆材料的可持续型可解读多功能传感技术及其制造设计

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Sustainable interpretation-ready multifunctional sensing by Bio-based α-Helix biomimetic shape memory material and manufacturing design

　　

摘要

摩擦电纳米发电机作为一种自供电传感器正在逐渐兴起，但目前的这类传感器依赖于（i）不可持续的石油基材料，以及（ii）外部定时电路或机器学习处理系统。在此，我们介绍了一种基于生物材料的、通过4D打印技术制成的α螺旋形状记忆摩擦电纳米发电机（H-STENG），它结合了可持续的材料设计、可编程架构以及可直接解读的多模态传感功能。通过介观尺度上的结构调控以及界面间的氢键和酰胺相互作用，我们制备出了PLA/PHA/壳聚糖复合材料，该材料具有更高的韧性，且形状记忆恢复能力优异（在10秒内可恢复约90%）。通过丝材挤出技术，该复合材料被塑造成仿生α螺旋结构，从而实现机械适应性强的摩擦电和电阻信号输出。H-STENG能够将加载、保持、卸载和静止状态直接转化为具有相位信息的峰值和平台波形；无需外部定时电路或机器学习处理，即可从平台宽度中线性提取出保持时间。此外，α螺旋结构还具备固有的电阻传感模式，可通过导电网络重建来检测变形幅度、速率、保持时间和恢复状态。该装置展现出稳定的能量收集能力、温度触发下的形状恢复功能、良好的环境适应性、莫尔斯电码通信功能以及人体运动监测能力。这项工作为可直观解读的可穿戴电子设备提供了一种可持续的、结构可编程且无需算法的传感平台。