近日，来自华南理工大学江赛华教授团队的研究人员基于同轴打印技术和摩擦电纳米发电原理制造了坚固的压力传感纤维，并创新地将其与机械手和履带车集成，实现高精度物体识别和环境路况信息传感（图1）。同轴纤维的内芯材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）和镓铟合金（EGaIn）的高导电油墨（PLM），外壳材料为单组分室温硫化硅胶（RTVS）。同轴压力传感纤维兼具PLM的高导电性和RTVS优异的力学性能和耐高温性，具有出色的灵敏度(4.03 V?kPa?1)、快速的响应时间(23ms)和优异的耐久性(超10000次循环)，有效拓展了救援机械设备在极端环境中的信息收集能力，为实际救援内攻任务提供了一种潜在的解决思路。该工作以“Robust self-encapsulated fiber integrated with rescue robots for environmental information collection”为题发表于国际能源领域顶级期刊《Nano Energy》，第一作者为华南理工大学机械与汽车工程学院硕士研究生孔淇，其他共同作者为刘付超康、程家圻，文章通讯作者为华南理工大学江赛华教授。
图1. 同轴纤维制造-性能-应用示意图。
由于液态金属的高表面张力和易氧化的特点，同轴纤维在使用前需要经历活化过程，仅需一次活化即可在纤维内部形成导电通路，二次活化即可形成电阻率为（6.354·10-6Ω·m）的高导电同轴纤维（图2a-b）。为评估同轴纤维在极端环境中的适应性，对同轴纤维施加拉伸、扭转和高压等操作后，同轴纤维均可恢复原状，展现了出色的柔性和力学性能（图c-e和支持信息）。将其置于不同恶劣环境中（紫外光照、强酸强碱和高温高湿），同轴纤维均保持稳定的电气性能（图2f和支持信息），展现了在极端环境中应用的潜力。
图2.同轴纤维环境适应性测试。
图3a展示了同轴压力摩擦电纳米发电机传感器（CP-TENG）的工作原理，CP-TENG无需外接电源即可对压力的稳定传感，展现了其独特优势。除此之外，利用同轴打印技术可定制化纤维的几何形状，图3f展示了具有高度梯度的螺旋形CP-TENG，实验证明，高度梯度的存在显著提高了传感器的灵敏度（图3h）。CP-TENG在紫外光处理、酸碱溶液浸泡和高温高湿环境中均保持一定的传感能力，并在超10000次循环中保持稳定性能。
图3.CP-TENG的摩擦电性能测试。
受人类指纹启发，制造了螺旋形CP-TENG并将其集成至机械手中，对不同形状物体（球体、圆锥体、圆柱体和长方体）和不同材质（木材、尼龙、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和聚氯乙烯）进行识别（图4a），通过提取多通道电压信号的幅值作为特征，构建物体形状和材质识别数据集。利用人工神经网络（ANN）对物体形状进行识别和分类，实现了100%的形状识别准确率（图4b）和98.3%的材质识别准确率（图4c）。
图4.物体形状与材质识别。
由于CP-TENG具有优异的力学性能，将其集成到履带车的履带处，与地面发生接触-分离视为一个周期（图5a-b）。在单周期内，周期持续时间和周期内特征信号可作为评估路况信息的重要依据。例如，当履带车在光滑路面行进时，周期持续时间为1s，周期内没有明显特征信号。而在粗糙路面行进时，周期内呈现多次分离-接触模式（图5c-d）。还拓展研究了在遇到小型、中型和大型障碍物时CP-TENG的特征信号模式，为路况信息传感提供了新的解决思路。
图5.路况信息识别。
总结：该工作展示了基于坚固同轴纤维拓展救援设备环境信息收集能力的潜在应用，为极端环境实施救援和开展工作提供了一种新的解决思路。该工作得到广东省重点领域研发计划、天津市消防安全技术重点实验室开放基金、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。
江赛华教授简介：
江赛华，华南理工大学机械与汽车工程学院教授，2014年博士毕业于中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，同年获得香港城市大学联合培养博士学位，曾在2017-2020年间于宾夕法尼亚大学从事博士后研究工作。研究方向主要为智能安全传感、新能源与材料安全技术及理论研究。主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划专题、科技部外国专家项目、广东省自然科学基金、中国博士后基金、公安部重点实验室项目、广州市科技项目等20余项科研项目，参与多项国家重点研发计划及973计划项目。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Journal of hazardous materials、Journal of Materials Chemistry A 等国际期刊共发表 SCI 收录论文超110篇，授权发明专利17项，登记软著1项，省部级科技成果登记1件。研究论文得到同行的积极评价（引用数累计超过4700次，h-index 为 39）。研究成果获中国安全生产协会科学技术进步奖一等奖、中国特种设备检验协会科学技术奖二等奖等奖励多项。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111092
