盲人主要依賴盲文書籍來(lái)獲取文字信息。然而，傳統(tǒng)紙質(zhì)版盲文書籍的內(nèi)容無(wú)法更新且攜帶笨重，嚴(yán)重影響的盲人閱讀的效率和便捷性。因此，發(fā)展安全、簡(jiǎn)便、高效的新盲文閱讀方式是很有必要的。為此，北京納米能源所陳翔宇課題組和李舟課題組合作，利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)和介電彈性體，制備了一種可擦寫、安全、便攜的盲文顯示系統(tǒng)（RBDS）。該顯示系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、循環(huán)穩(wěn)定性好以及安全的特點(diǎn)，未來(lái)有望用于盲文電子書。該研究結(jié)果以題為“Refreshable Braille Display System Based on Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
【RBDS的器件結(jié)構(gòu)】
盲文又稱為“點(diǎn)”字或“凸”字，一個(gè)盲文是由六個(gè)點(diǎn)組成。傳統(tǒng)的盲文書籍如圖1a所示，又笨又重，讀起來(lái)極為不方便。RBDS的器件結(jié)構(gòu)如圖c所示的，主要由Al和Kapton薄膜的摩擦電組件（TENG）、電路控制組件和盲文顯示組件構(gòu)成。其作用機(jī)理是TENG產(chǎn)生的電壓施加在形狀為球狀的介電彈性體（DED）上，引發(fā)介電彈性體發(fā)生機(jī)械形變而凸出，來(lái)模擬盲文。
圖1 RBDS的示意圖
【TENG的性能】
作者將TENG與商用的高壓源應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)DE中，TENG作為高壓源的擊穿電流為44.34 μA，遠(yuǎn)低于商用高壓源的擊穿電流（28663 μA）和人體的安全電流（10000 μA），說(shuō)明該器件具有良好的安全性。隨后，作者研究了接觸面積與TENG輸出性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)接觸面積越大，開路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量也越高，當(dāng)接觸面積為16 cm2時(shí)，TENG的最大輸出電壓達(dá)到了3250 V，短路電流和轉(zhuǎn)移電荷量分別為2.05 μA 和119 nC。
圖2 摩擦電組件的性能
【RBDS的工作原理】
作者采用了側(cè)向滑移式的TENG器件，其工作原理如圖3b所示。Kapton的吸電子能力高于Al，當(dāng)二者接觸式，電子從Al移動(dòng)到Kapton薄膜上，Al上帶正電。隨著Kapton向左滑移，接觸面積減少，二者產(chǎn)生電勢(shì)差。同時(shí)，由于DED的下電極與Al接觸，上電極接地，DED中的電子轉(zhuǎn)移到Al中使得DED的上下表面產(chǎn)生電勢(shì)差，從而DED在電場(chǎng)的作用下發(fā)生形變。當(dāng)Kapton徹底與Al分離時(shí)，電勢(shì)差最大，DED的形變量也達(dá)到最高。最后Kapton向右滑移，電勢(shì)差逐步變小，DED又逐漸恢復(fù)初始的狀態(tài)。此外，作者還探究了封閉空氣的氣壓以及接觸面積對(duì)于DED高度變化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)封閉空氣的氣壓為4 kPa且接觸面積為 16 cm2時(shí)，器件的中DED高度變化最大，也最靈敏。DED的響應(yīng)時(shí)間僅為0.13 s，且DED的高度超過(guò)0.6 mm的保持時(shí)間為5.4 s，足以讓盲人完成閱讀。
圖3 RBDS的工作原理
【RBDS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和應(yīng)用展示】
作者隨后利用單個(gè)TENG組件驅(qū)動(dòng)六個(gè)DED，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著DED的數(shù)量增大，單個(gè)TENG的輸出性能不足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)DED。因此，作者設(shè)計(jì)了具有六個(gè)TENG單元的RBDS組件用于驅(qū)動(dòng)六個(gè)DED。此外，RBDS顯示出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在循環(huán)20000次后，其DED的高度仍舊保持了極好的穩(wěn)定性（0.6 mm）。通過(guò)控制每一個(gè)DED，字母A、B、C能夠被及時(shí)輸入。此外，作者還設(shè)計(jì)了新型可擦寫盲文顯示設(shè)備，如圖5所示。從視頻中可以看出，通過(guò)控制RBDS輸入，可以實(shí)時(shí)顯示和擦寫文字信息，顯示出了良好的應(yīng)用前景。
圖4 RBDS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
圖5 RBDS的應(yīng)用展示
【總結(jié)】作者首次設(shè)計(jì)了基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)和介電彈性體的可擦寫盲文顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有安全、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，未來(lái)有望用于新型盲文電子書。
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