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摩擦纳米发电机首次实现对驾驶行为的无干扰测

2020-01-31 11:45

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  据报道,道路交通伤害(RITs)已被列为全世界第八大死亡原因。其中,驾驶员的不良驾驶习惯,特别是驾驶员的注意力分散,被认为是交通事故的直接原因。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)通过研究,发现大多数撞车事故/近撞车事故不注意现象都与驾驶员分心有关。实际上,驾驶的首要任务仅占开车总时间的46%,其余的时间都在进行次要任务,例如,发短信、导航或调整无线信道。然而,这些活动会导致驾驶员偏离道路,这是非常危险的。研究表明,如果驾驶员眼睛离开道路时间超过2秒,撞车的危险会增加三倍。对驾驶员的驾驶行为的分析,可应用于交通安全和交通流研究等多个领域。因此,驾驶行为对于交通安全和路况检测非常重要。目前,590电机驾驶行为分析的大多数参数是通过利用镜像或价格昂贵的传感器来实现,例如,眼动跟踪仪、脑电图仪等;而且这些监测装置会对驾驶行为测试分析造成很大的干扰,很难获得客观数据来进行驾驶行为的深入研究。

  摩擦纳米发电机(TENGs)是一种新型的能量转换器件,利用接触起电和静电感应效应,它可以收集人体运动的机械能、风能、海洋能等。同时通过与电池、电容器等储能器件耦合,可以集成为一体化的自供能系统。此外,TENGs作为一种自驱动的传感装置也已经被广泛地应用于压力传感、环境监测、污染治理、医疗卫生、健康监测等领域。通过外部压力触碰TENG,在静电感应驱动下产生摩擦电荷,经过外部电路传输,可以实时监测施加于TENG的作用力,以及其与输出电信号的强度和频率的关系,从而实现监测操作者的外部活动。

  近日,在中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林,纳米能源所研究员孙春文及北京理工大学教授王武宏的指导下,博士生孟晓义和成前等人将基于TENG的压力传感器应用于汽车传感领域,用来实时监测驾驶员的行为,这是首次把TENG应用在驾驶行为监测领域,实现了驾驶行为无干扰测试,为解决车辆安全提供了新的解决途径。同时有望将TENG应用于更广泛的领域,如智能驾驶、交通安全以及航空航天等。

  该工作基于Al和Kapton薄膜制备了简易柔性的TENG,通过对其结构性能以及灵敏度做的分析表征,表明TENG可以有效地作为压力传感装置。外部压力作用于TENG导致其形变,产生开路电压信号,其强度和频率对应于外部动作特征,应用于汽车传感领域,并结合多通道数据采集装置,可以监测驾驶员多种行为动作。

  图1. (a)TENG的结构与信号产生机理示意图;(b)不同测试频率下的短路电流信号;(c)不同测试频率下的开路电压信号;(d) TENG接触分离过程电势分布的模拟计算。

  图2.三通道同时采集驾驶员的眨眼、踩踏刹车、油门的动作响应信号。同时采集三种信号,可以有效地判断一段时间内驾驶员的各种动作行为。

  据报道,道路交通伤害(RITs)已被列为全世界第八大死亡原因。其中,驾驶员的不良驾驶习惯,特别是驾驶员的注意力分散,被认为是交通事故的直接原因。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)通过研究,发现大多数撞车事故/近撞车事故不注意现象都与驾驶员分心有关。实际上,驾驶的首要任务仅占开车总时间的46%,其余的时间都在进行次要任务,例如,发短信、导航或调整无线信道。然而,这些活动会导致驾驶员偏离道路,这是非常危险的。研究表明,如果驾驶员眼睛离开道路时间超过2秒,撞车的危险会增加三倍。对驾驶员的驾驶行为的分析,可应用于交通安全和交通流研究等多个领域。因此,驾驶行为对于交通安全和路况检测非常重要。目前,驾驶行为分析的大多数参数是通过利用镜像或价格昂贵的传感器来实现,例如,眼动跟踪仪、脑电图仪等;而且这些监测装置会对驾驶行为测试分析造成很大的干扰,很难获得客观数据来进行驾驶行为的深入研究。

  摩擦纳米发电机(TENGs)是一种新型的能量转换器件,利用接触起电和静电感应效应,它可以收集人体运动的机械能、风能、海洋能等。同时通过与电池、电容器等储能器件耦合,可以集成为一体化的自供能系统。此外,TENGs作为一种自驱动的传感装置也已经被广泛地应用于压力传感、环境监测、污染治理、医疗卫生、健康监测等领域。通过外部压力触碰TENG,在静电感应驱动下产生摩擦电荷,经过外部电路传输,可以实时监测施加于TENG的作用力,以及其与输出电信号的强度和频率的关系,从而实现监测操作者的外部活动。

  近日,在中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林,纳米能源所研究员孙春文及北京理工大学教授王武宏的指导下,博士生孟晓义和成前等人将基于TENG的压力传感器应用于汽车传感领域,用来实时监测驾驶员的行为,这是首次把TENG应用在驾驶行为监测领域,实现了驾驶行为无干扰测试,为解决车辆安全提供了新的解决途径。同时有望将TENG应用于更广泛的领域,如智能驾驶、交通安全以及航空航天等。

  该工作基于Al和Kapton薄膜制备了简易柔性的TENG,通过对其结构性能以及灵敏度做的分析表征,表明TENG可以有效地作为压力传感装置。外部压力作用于TENG导致其形变,产生开路电压信号,其强度和频率对应于外部动作特征,应用于汽车传感领域,并结合多通道数据采集装置,可以监测驾驶员多种行为动作。

  相关研究成果以Triboelectric Nanogenerator as a Highly Sensitive Self-Powered Sensor for Driver Behavior Monitoring 为题发表在最新一期的《纳米能源》(Nano Energy,DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.07.026)上。该项工作得到了科技部国家重点研发计划(2016YFA0202702)、国家自然科学基金(51672029, 51372271, 51378062)以及 中组部“顶尖千人”及其创新团队的经费支持。

  图1. (a) TENG的结构与信号产生机理示意图; (b) 不同测试频率下的短路电流信号; (c) 不同测试频率下的开路电压信号;(d) TENG接触分离过程电势分布的模拟计算。

  图2. 三通道同时采集驾驶员的眨眼、踩踏刹车、油门的动作响应信号。同时采集三种信号,可以有效地判断一段时间内驾驶员的各种动作行为。

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