摩擦納米發電機首次實現對駕駛行為的無干擾測試

據報道，道路交通傷害（RITs）已被列為全世界第八大死亡原因。其中，駕駛員的不良駕駛習慣，特別是駕駛員的注意力分散，被認為是交通事故的直接原因。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）通過研究，發現大多數撞車事故/近撞車事故不注意現象都與駕駛員分心有關。實際上，駕駛的首要任務僅占開車總時間的46%，其餘的時間都在進行次要任務，例如，發簡訊、導航或調整無線信道。然而，這些活動會導致駕駛員偏離道路，這是非常危險的。研究表明，如果駕駛員眼睛離開道路時間超過2秒，撞車的危險會增加三倍。對駕駛員的駕駛行為的分析，可應用於交通安全和交通流研究等多個領域。因此，駕駛行為對於交通安全和路況檢測非常重要。目前，駕駛行為分析的大多數參數是通過利用鏡像或價格昂貴的感測器來實現，例如，眼動跟蹤儀、腦電圖儀等；而且這些監測裝置會對駕駛行為測試分析造成很大的干擾，很難獲得客觀數據來進行駕駛行為的深入研究。

摩擦納米發電機(TENGs)是一種新型的能量轉換器件，利用接觸起電和靜電感應效應，它可以收集人體運動的機械能、風能、海洋能等。同時通過與電池、電容器等儲能器件耦合，可以集成為一體化的自供能系統。此外，TENGs作為一種自驅動的感測裝置也已經被廣泛地應用於壓力感測、環境監測、污染治理、醫療衛生、健康監測等領域。通過外部壓力觸碰TENG，在靜電感應驅動下產生摩擦電荷，經過外部電路傳輸，可以實時監測施加於TENG的作用力，以及其與輸出電信號的強度和頻率的關係，從而實現監測操作者的外部活動。

近日，在中國科學院外籍院士、中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、喬治亞理工學院校董教授王中林，納米能源所研究員孫春文及北京理工大學教授王武宏的指導下，博士生孟曉義和成前等人將基於TENG的壓力感測器應用於汽車感測領域，用來實時監測駕駛員的行為，這是首次把TENG應用在駕駛行為監測領域，實現了駕駛行為無干擾測試，為解決車輛安全提供了新的解決途徑。同時有望將TENG應用於更廣泛的領域，如智能駕駛、交通安全以及航空航天等。

該工作基於Al和Kapton薄膜製備了簡易柔性的TENG，通過對其結構性能以及靈敏度做的分析表徵，表明TENG可以有效地作為壓力感測裝置。外部壓力作用於TENG導致其形變，產生開路電壓信號，其強度和頻率對應於外部動作特徵，應用於汽車感測領域，並結合多通道數據採集裝置，可以監測駕駛員多種行為動作。

相關研究成果以Triboelectric Nanogenerator as a Highly Sensitive Self-Powered Sensor for Driver Behavior Monitoring為題發表在最新一期的《納米能源》（Nano Energy，DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.07.026）上。該項工作得到了科技部國家重點研發計劃（2016YFA0202702）、國家自然科學基金（51672029, 51372271, 51378062）以及 中組部「頂尖千人」及其創新團隊的經費支持。

圖1. (a) TENG的結構與信號產生機理示意圖； (b) 不同測試頻率下的短路電流信號； (c) 不同測試頻率下的開路電壓信號；(d) TENG接觸分離過程電勢分布的模擬計算。

圖2. 三通道同時採集駕駛員的眨眼、踩踏剎車、油門的動作響應信號。同時採集三種信號，可以有效地判斷一段時間內駕駛員的各種動作行為。

來源：中國科學院北京納米能源與系統研究所

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