氧化氯铋纳米片压电-摩擦电混合纳米发电机的研发：作为一种先进的自供电机械逻辑系统

本研究提出一种基于BiOCl纳米片与PDMS复合材料的混合纳米发电机（HNG）辅助地形自适应漫游系统，通过机械-电气传感实现自主避障导航。HNG在25V/0.3μA和398V/3.25μA时分别展现压电和混合输出特性，功率密度达84.68μW/cm2。该系统通过Arduino控制实现无视觉环境的自主导航，为智能无人探测提供高效能解决方案。

　　

Vishal Natraj | Vigneshwaran Mohan | Parthiban Pazhamalai | Sang-Jae Kim

韩国济州岛济州国立大学应用能源系统学院机电一体化工程专业，纳米材料与系统实验室，63243

摘要

在非结构化且不可预测的环境中进行自主导航对于未来的太空探索和离网机器人技术至关重要。在本研究中，我们提出了一种结合了混合纳米发电机（HNG）的机电传感平台，该平台被集成到地形适应型漫游系统中。通过水热法合成了氧化铋（BiOCl）纳米片，并将其嵌入PDMS基体中，制成了用于能量收集和自供电传感的多功能压电摩擦电复合薄膜。利用XRD、XPS、拉曼光谱和Kelvin探针力显微镜（KPFM）对结构、形态和表面进行了分析，证实了BiOCl纳米片的高结晶度以及复合薄膜的表面电荷密度增强。BiOCl纳米片的压电机械性能源于纳米尺度限制和表面效应引起的局部对称性破缺。所制备的压电纳米发电机（PNG）和混合纳米发电机（HNG）的最大输出分别为25 V/0.3 μA和398 V/3.25 μA，其中HNG的功率密度达到84.68 μW cm^-2。我们实现了一种顺序机械逻辑架构，其中HNG作为自供电机械传感器与Arduino控制的漫游车相连。当系统与障碍物物理接触时，它会处理逻辑状态以进行自主决策，并在无需视觉输入的情况下实现有效的地形适应导航。总体而言，这项工作为在黑暗、多尘且视觉受限的环境中进行智能无人探索提供了一种稳健且节能的策略，这些环境与太空和离网机器人系统密切相关。

引言

人类大脑卓越的感知、思考、反应和提供反馈的能力是人工智能（AI）、神经形态计算、神经网络和生物电子学等领域发展的基石[1]、[2]、[3]。人体皮肤含有生物受体，可作为强大的接口，将外部机械刺激转化为电信号，从而实现触觉感知和条件响应[4]、[5]、[6]、[7]。这些电信号通过复杂的神经突触网络传递到大脑，在那里进行处理，然后将反馈信号发送到身体的相应部位。然而，机械复制这一自然机制面临诸多挑战，包括复杂的电路设计以及自主、无监督操作所需的高功耗。为了解决这些问题，科学家们正在开发能够在各种交互场景中运行并提供反馈的低功耗电子设备[8]、[9]、[10]、[11]。 混合纳米发电机（HNG）是一种能够从各种环境和生物机械运动中获取机械能量并将其转化为有价值的电能的装置。HNG利用BiOCl纳米片与PDMS基体之间的体极化变化产生的协同效应来实现压电响应，同时BiOCl/PDMS薄膜与乙基纤维素（EC）薄膜之间的表面电荷转移导致接触电化，以及静电感应产生摩擦电效应[6]、[12]。当复合薄膜受到拉伸时，应力从PDMS传递到BiOCl纳米片，引起晶格畸变和界面极化。通过调整其内在属性（如介电常数、材料形态）或外在属性（如表面积、薄膜厚度和电荷）[13]、[14]，可以改善HNG的摩擦电性能；同样，通过选择具有高d₃₃压电系数的铁电材料，也可以提升HNG的压电性能。BiOCl具有非中心对称的matlockite结构，其c轴上交替堆叠着[Bi₂O₂]²⁺和[Cl₂]^2-离子层，这些层之间的不对称电荷分布促进了强烈的垂直于平面的压电极化以及较大的表面积[15]、[16]。当与聚二甲基硅氧烷（PDMS）这种众所周知的摩擦负极性聚合物结合时，BiOCl的摩擦电性能也会得到增强，这一点通过Kelvin探针力显微镜（KPFM）测量和介电常数测量得到了充分验证。这种协同效应带来了优异的电性能和功率密度。 此外，我们还开发了一种基于HNG的机电传感器，该传感器基于顺序机械逻辑门的工作原理[18]。HNG产生脉冲电响应，模拟外部机械刺激，并生成由类似“大脑”的Arduino UNO处理的时空摩擦电信号，机械反馈信号被发送到Arduino控制的漫游车上，从而确定其运动方向。这一概念验证展示了在不可预测的环境中利用顺序机械逻辑进行危险场景模拟和潜在风险缓解的实际解决方案。总体而言，这种基于HNG的原型代表了一种用于低功耗、机械驱动逻辑计算和自主能量处理的可行方法，以应对不可预测的环境刺激。

材料

前体物质五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O）、氯化钾（KCl）、甲苯（C₇H₈）和乙酸乙酯（C₄H₈O₂）均从韩国Daejung Chemicals & Metals Co. LTD.采购。Sylgard 184弹性体则从美国Dow Corning公司获得。乙基纤维素（C₆H₁₀O₅）（乙氧基含量48%，22 cps）购自Acronis化学品公司。所有购买的化学品均为分析级，无需进一步纯化即可使用。

氧化铋纳米片（BiOCl NPL）的制备

氧化铋是通过一步法制备的...

结果与讨论

图1（A）展示了前体物质（KCl和Bi(NO₃)₃·5H₂O）以及经过水热处理后形成的BiOCl的晶体结构示意图。图1（B）显示了BiOCl纳米片（NPL）的X射线衍射（XRD）图谱，其中在11.7°、23.8°、25.5°、32.2°、33.1°、36.2°、40.5°、46.3°、49.4°、53.8°、54.8°、58.3°、60.3°、67.8°、74.8°和77.3°处有明显的峰，分别对应于（001）、（002）、（101）、（110）、（102）、（003）、（112）、（200）、（004）、（211）、（104）、（212）晶面。

结论

在本研究中，我们成功展示了将氧化铋（BiOCl）纳米片嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中的能量收集能力，获得了最大的压电输出25 V/0.3 μA和摩擦电输出115 V/1.02 μA。通过制造混合纳米发电机（HNG），进一步探讨了压电和摩擦电效应的协同作用，其峰值输出达到398 V/3.25 μA，功率密度为...

CRediT作者贡献声明

Sang-Jae Kim：可视化、监督、资源管理、项目规划、资金获取、概念构思。 Vigneshwaran Mohan：方法论设计、实验研究、数据分析。 Parthiban Pazhamalai：可视化验证、方法论设计、实验研究、数据分析。 Vishal Natraj：初稿撰写、可视化验证、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过基础科学研究计划（RS-2023-NR077252）和区域领先研究中心（RS-2024-00405278）的支持，该计划由韩国政府（MSIT）资助。作者感谢韩国基础科学研究所（KBSI）提供的X射线光电子谱仪（XPS）和透射电子显微镜（TEM）分析设备。

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人...

Vishal Natraj正在济州国立大学应用能源系统学院攻读机电一体化工程的集成硕士-博士学位，导师为Sang-Jae Kim教授。他曾在印度S.R.M.科学技术学院获得纳米技术学士学位。他的研究兴趣包括用于压电和摩擦电能量收集的二维纳米材料、混合氧化反应的电催化技术，以及如TENG驱动的电解器等集成自供电系统。