随着人工智能和物联网的飞速发展，传统基于氧化铟锡的触控面板由于其脆、硬的特性而受到各种限制，无法满足下一代触控面板对高灵敏度、生物相容性、可拉伸、自愈、防冻、甚至自供电的需求。凭借优异的可拉伸性、生物相容性和导电性，导电水凝胶在触觉传感器、人机界面、软机器人、能量收集/存储设备等新兴领域的发展中受到了极大的关注。然而，大多数基于水凝胶的触控面板都是基于单功能凝胶材料开发的，缺乏防冻和自供电能力。
哈尔滨工业大学王荣国教授、刘文博教授等人报道了一种基于摩擦纳米发电机的多功能触控面板（AD-TENG），其瞬时峰值功率密度可达209 mW m-2。作者使用两性离子网络水凝胶作为高度透明、超拉伸（>11500%应变）、可降解的柔性离子导体。该面板可用作人机交互界面，具有快速响应、高分辨率、低寄生电容、损坏后自恢复功能，即使在高拉伸状态（1600% 面应变）和低温下也不会失效。此外，该触控面板可在任意复杂的表面上操作，展现了可书写和玩电脑游戏的输入特性。同时，该触控面板可在磷酸盐缓冲液中降解，不会对环境造成污染。该研究题为“Anti-Freezing Self-Adhesive Self-Healing Degradable Touch Panel with Ultra-Stretchable Performance Based on Transparent Triboelectric Nanogenerators”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【AD-TENG的结构与性能】
AD-TENG是通过将两性离子网络水凝胶夹在两个PDMS层间制造的。一旦人手与AD-TENG接触，界面就会发生摩擦起电，并且在PDMS和皮肤表面分别产生极性相反的摩擦电荷。因此，通过不断重复手和AD-TENG之间的接触分离过程，即可产生交流电。基于水凝胶的AD-TENG不仅可以拉伸，而且可以卷曲、折叠和扭曲而没有任何机械损伤，表明其具有出色的柔软性和拉伸性。作者对其电输出性能进行了研究，其开路电压为123 V，短路电流为5.1 μA，短路电荷为42 nC，且在拉伸至200%后分别达到133.9 V、5.4 μA和43.3 nC。即使被切割，愈合后其电压和电流也可完全恢复。此外，在15000次按压释放循环之后，AD-TENG仍显示出稳定的输出，表明该设备在实际应用中具有出色的机械鲁棒性和可靠性。
图1 AD-TENG的工作原理和电气性能
【水凝胶的性能表征】
所合成的水凝胶表现出超高拉伸性（超过11500%），断裂应力 > 0.225 MPa，适合用作柔性可穿戴电子设备。该两性离子网络水凝胶由于聚合物链上的大量活性官能团可以形成离子-极性相互作用、静电吸引力和氢键等非共价键，对不同的目标基材具有很强的自粘性。即使剥离后也能对基材进行可逆粘附，这对于制备柔性可穿戴电子产品至关重要。通过用剪刀将凝胶切成两半，作者研究了所制备的水凝胶的自愈行为。在切割-修复循环过程中，其电阻的变化相当稳定，这表明其具有良好的自修复重复性。该水凝胶在宽温度范围内具有超快的自愈能力和出色的自愈效率，使其成为具有可靠传感特性和长使用寿命的柔性可穿戴电子设备的候选材料。
图2水凝胶的抗冻和自愈特性
【AD-TENG的应用】
AD-TENG在外部负载≈30 MΩ的电阻下显示出209 mW m -2的最大输出功率密度，且可作为电源在各种状态下，包括原始、拉伸、低温、皮肤上，轻松点亮绿色LED阵列，以及给电容器充电并直接驱动电子表。因此，AD-TENG可以在各种情况下为柔性、便携和可穿戴的人机交互设备提供动力。此外，作者使用厚度为1 mm的VHB薄膜作为绝缘垫片制造了表皮触控面板，以评估基于水凝胶的触控面板的可穿戴性能。当面板贴在皮肤上时，测量电流和手指位置之间的相关性仍然存在。因此，包括国际象棋在内的各种应用程序都可以使用表皮触摸面板完成。同时，触控面板具有自我修复和防冻功能。作者使用手术刀破坏表皮触摸面板，自愈后其功能即可恢复。即使在零下温度（< -20°C）下，触控面板也能正常工作，说明该面板在较宽的温度范围内具有很强的感应特性。
图3以AD-TENG作为电源进行能量收集
图4表皮触控面板的结构和操作
总结：作者开发了一种具有超拉伸性能的抗冻、透明、自愈、可降解、自粘的水凝胶离子导体，并采用表面电容式触控系统和TENG技术在其上实现传感与自供电能力，即使在大变形和低温环境下也可直接驱动便携式电子设备。作者以此设计了一种具有柔性和多功能特性的可穿戴表皮触控面板，用于书写、玩电脑游戏等各种操作。这项工作不仅为构建自供电人机通信接口提供了一种有效的方法，还为柔性电子设备的设计提供新的思路。
--3D打印白皮书--
--帮测科技--
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202201230
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！