一种采用无间隔层 MoSSe@PVDF 嵌入式摩擦纳米发电机的音频驱动盲文打字系统，用于低电流辅助通信

《Sustainable Materials and Technologies》：An audio driven braille typing system using spacer free MoSSe@PVDF embedded TENG for low current assistive communication

　　

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  通过蚕丝启发的无间隔层接触分离式TENG实现2D MoSSe@PVDF静电纺丝制备。
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  利用COMSOL验证了TENG的电势分布、高灵敏度及功率密度。
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  基于ESP32的七通道TENG阵列实现实时盲文字符识别。
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  设计了与微控制器兼容的比较器I/V转换电路级。
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  实时音频反馈及蓝牙无线通信功能，适用于辅助用途。

引言

在当今快速发展的科技世界中，日常生活任务对视障人士而言正变得越来越困难。因此，有效的辅助解决方案对于改善其生活质量并实现独立生活至关重要[1]。因此，视障人士在导航和信息获取方面通常依赖听觉和触觉线索，而非单纯依靠视觉[2]。在当前的信息技术和物联网（IoT）时代，技术先进的设备得到了显著改进，以帮助相关人员克服身体限制，获取信息并应对社交互动和日常任务[3], [4]。毫无疑问，路易·布莱叶发明的盲文书写系统通过基于触觉的感知方式为获取书面信息提供了途径，在历史上彻底革新了阅读和交流能力[5]。然而，传统的盲文阅读存在一些困难，这使得开发基于手指触摸的通信系统对视障人士来说成为更合适的替代方案[6]。近年来，带有触觉反馈的穿戴式电子技术的进步帮助人们使用智能设备，增强了其交流、阅读、定位和导航能力[7], [8]。过去几年，包括触觉盲文阅读设备和技术解决方案在内，已开发出多种盲文触觉通信技术[9], [10], [11]。在这方面，Alnfiai等人引入了一种在触摸屏设备上使用触觉盲文模式的盲文输入键盘[12]。Hamzah等人推出了可说话的盲文键盘，帮助用户发送文本信息[13]。这些系统需要外部电源，功耗较大，且使用寿命有限。

针对上述限制，摩擦纳米发电机（TENGs）不仅作为一种开创性的能量收集方法，还作为自持传感系统受到了广泛关注[14]。TENGs能够通过摩擦起电效应和静电感应将机械能转化为电能[15]。该技术已在人机交互[14], [15], [16], [17]、医疗健康[17]、电子皮肤[18]以及虚拟现实（VR）通信[19]等领域中得到应用。TENG在盲文识别系统中的应用已取得了显著成功，这得益于其自供电能力和对低压力的敏感性[11], [18], [20]。Xu等人[21]推出了一种由TENG供电的介电弹性体盲文设备，帮助用户感知图案变化。Ahmed等人[22]提出了一种基于简单纳米材料的TENG自供电盲文键盘，供视障用户使用。然而，这些关于系统的尝试主要侧重于盲文阅读，用户输入能力非常有限。这些系统还依赖外部机械能，限制了其双向通信能力。在此协同效应下，自供电TENG在能量转换效率和更高灵敏度方面的进步至关重要。提高器件性能的一个关键策略是增加表面电荷密度，这主要由构成器件的两种摩擦材料之间的电子亲和能差异决定，并在其整体性能中起着关键作用。因此，优化材料选择和表面工程已成为近期研究的重点领域，旨在最大化自供电器件的输出功率、功能性和适用性[23], [24]。

在此框架下，聚偏氟乙烯（PVDF）大显身手，表现出卓越的稳定性、强自发极化、高电子亲和能和良好的柔韧性[23], [25], [26], [27], [28], [29]。在PVDF的其余晶相（α、γ、δ和ε）中，结晶β相因具有较高的压电系数和极化能力，成为摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和超声换能器研究最广泛的晶相[26], [27]。金属纳米线和还原氧化石墨烯与PVDF的集成增强了表面电势和电荷捕获能力，从而提高了TENG的高功率输出[30], [31], [32]。此外，二维纳米材料已被发现对PVDF中β相结晶的增强非常有效[33]。二维层状无毒过渡金属二硫化物（TMDCs）的块体版本因其中心对称结构而缺乏压电性。然而，过渡金属二硫化物（MX?）单层的形成，如MoSe?和WS?，不仅增强了其压电性能，还因其缺乏反演对称性而增强了其电子、光学和机械性能[34], [35], [36], [57], [58], [59]。A.Y. Lu等人及J. Zhang等人在先进二维材料领域报道了TMDCs中的MXY型结构，由于X和Y电负性的不同，导致M-X和M-Y键长不等。硫化硒化钼（MoSSe）是TMD材料中MXY型的一种重要种类[37], [38], [39]。由于反射对称性被破坏后允许产生垂直压电极化，导致仅在MoSSe中产生补充的面外电极化，因此受到了关注。与传统制备方法相比，在成本效益方面，静电纺丝工艺在制备高效极化PVDF方面具有明显优势。它在纤维形成过程中天然诱导极化，且具有无需额外后处理的高表面积结构[30], [31], [40]。因此，它被认为是从PVDF-TMD纳米纤维制备高性能TENGs的有力技术。

本研究展示了一种基于PVDF@MoSSe集成盲文支持TENG的高电压低电流特性的自供电便携式盲文打字键盘系统，以下简称PMBT传感器。与传统的盲文系统不同，所提出的系统主动产生电信号，消除了对外部电源的需求。开发的盲文打字板基于标准盲文编码，包含六个单触点PMBT传感器，对应盲文六点。额外的第七个传感器作为每个字符的确认开关。PMBT的各种敲击组合准确地将基于压力的盲文构型转换为听觉输出，从而朗读英文字母和数字。每个PMBT传感器以接触分离（CS）模式工作，采用无间隔层构型以最大化摩擦层之间的有效接触面积[54]，并采用双拱形结构以确保长期结构稳定性。在此构型中，摩擦负层由由PVDF@MoSSe纳米片复合而成的静电纺丝纳米纤维薄膜构成，而回收蚕丝则用作摩擦正对应物。PMBT传感器的电气输出性能已通过COMSOL多物理场软件进行模拟，以验证在相同构型下开路电压随摩擦层间分离距离的变化。基于2.5 wt% MoSSe优化的PVDF纤维TENG通过手指施加实现了754.35 V的峰峰值电压和14.3 μA的电流，产生的电能足以点亮163个蓝色LED。在通过手指按压施加约12 N力的情况下，该器件表现出约7.36 W/m²的出色瞬时功率密度。另一方面，已开发了一种自制微弱电流信号处理电路，以实现对TENG单触点输入产生的低电流信号的直接处理。信号处理器被配置为I/V转换电路，采用LM358运算放大器，随后是基于LM339 IC的比较器电路，输出接口连接至ESP32微控制器。自供电盲文打字键盘系统通过蓝牙技术与移动设备进行无线接口连接，其中专用微控制器处理输入信号并将其转换为音频输出。所提出的成本效益高、便携式且自供电的设备不仅有助于视障人士，还作为患有言语和语言问题者的辅助工具发挥作用。该系统显然为利用集成蓝牙和扬声器的ESP32创建基于听觉反馈的便携式设备提供了重要见解，为未来的人机交互（HMI）应用提供了可行的方法。

章节片段

材料

本工作使用的材料和化学品均购自Merck India，包括：水合肼（N?H?·H?O，80%）、四水合钼酸铵（(NH?)?Mo?O??·4H?O，99%）、硫脲（CH₄N₂S）、盐酸（HCl，36–38%）、硒粉（Se，99.9%）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、聚偏氟乙烯（GPC平均分子量：180000）。所有化学品均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。

MoSSe的合成

钼硫化硒化物（MoSSe）纳米颗粒的合成

形貌分析

合成MoSSe粉末和PMBT纳米纤维薄膜的FESEM图像分别展示在图2(a-b)和图S1(a-d)（支持数据文件）中，使用了FEI Inspect F50 FESEM仪器。粉末状MoSSe样品的FESEM图像显示出不均匀分布，众多颗粒呈团聚和融合状态（图2(a)）。在更高倍率下仔细观察微观图像（图2(b)）表明，颗粒由随机堆叠的

结论

在此，通过静电纺丝将2D MoSSe纳米片嵌入PVDF中，增强了TENGs在无线听觉反馈集成盲文通信系统应用维度的性能。在PVDF基体中引入2D MoSSe增强了结晶度，通过显著减小纤维直径和复合薄膜的介电常数，提高了有效接触面积。增大的表面粗糙度有效增强了面

CRediT作者贡献声明

Supravat Ghosh：撰写——原始草稿、可视化、数据管理、概念化。Namrata Das：形式分析、数据管理。Dibakar Dutta：撰写——审阅与编辑、验证、软件、调查。Nur Amin Hoque：方法学、形式分析、数据管理。Animesh Layek：验证、监督、形式分析。Partha Pratim Ray：撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢印度科技部ANRF（批准编号CRG/2023/001928，日期 - 2024年1月23日）、印度科学与工业研究理事会（CSIR）科学研究联盟（文件编号09/0096(16709)/2023-EMR-I）和印度政府大学拨款委员会（资助编号191620153244）对开展本研究的慷慨支持和财务资助。Layek博士感谢ANRF的研究资助，

Supravat Ghosh|Namrata Das|Dibakar Dutta|Nur Amin Hoque|Animesh Layek|Partha Pratim Ray