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第1785期
2023-11-15
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【記者黎昕俞綜合報導】電動車發展日新月異,其中可以防碰撞、辨識駕駛等多功能的感測器,讓汽車更全能。由國立中興大學材料科學與工程學系教授賴盈至帶領的團隊,研發出一款可自發電並具長距離感測能力的「自驅動電動車感測器」,將其配置在電動車上,不需要電池供電,大幅降低能源消耗。研究成果刊登於9月份國際頂尖期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。



興大材料系團隊,研發可自發電且具長距離感測能力的「自驅動電動車感測器」,不需電池供電,大幅降低能源消耗。 圖/團隊提供


電動車中包含多種感測器,可感應外圍環境的變化,並將訊息傳送到使用者手機或車內介面等裝置中。諸如用於偵測周圍物體的雷達、可見光相機等,在提高使用者安全性和可靠性方面扮演重要角色。然而,現今電動車感測器大多依靠車輛供電,若未來發展更多需要感測器的功能,賴盈至則提醒道:「當感測器變多,隨之增加的電力消耗會讓車子能行駛的距離變短。」因此,團隊改良摩擦奈米發電機 (Triboelectric Nanogenerator, TENG)的原料,增強自然環境中的靜電,讓感測器自行驅動,達成不需供電、降低能耗的目標。

團隊利用奈米材料加上靜電材料,提高電荷捕獲能力以增加摩擦電荷的密度。 圖/團隊提供


摩擦奈米發電機是利用兩種材料經接觸後表面產生帶電的自然現象,將環境中的能量轉為電能的技術。不僅能用以感測周遭環境,接觸的材料也可以自由更換。團隊為改良感測器材料和結構,將摩擦奈米發電機的原料換成MXene(註一)及導電海綿。因MXene不穩定的結構且表面積大,容易吸引電子而產生靜電,故能提高感測器表面帶電離子的數量。而且,團隊更加入具大量孔洞的導電海綿用以增加電荷密度。如此一來,當人體往感測器移動時,其非接觸的感測能力最小可達1毫米的物體,並且最遠可以偵測到2公尺以外物體移動。

註一:MXene是材料科學中的一種二維無機化合物,厚度相當薄,有著過渡金屬碳化物的金屬導電性。

在研發過程中,面對奈米材料表面積過大易氧化,導致感測能力降低的問題。團隊特意將其埋入靜電材料中,減少觸氧面積,同時表面電荷會往內部的MXene移動,讓內部儲存更多靜電,進而增強感測訊號。就讀興大材料系碩士班的團隊學生呂明翰進一步說明,「這樣做也能讓感測器較為柔軟,更服貼於車子表面,不必擔心美觀問題。」


當人體靠近感測器時,會與之產生靜電感應,偵測的電壓會顯示在一旁的螢幕上。 圖/團隊提供


國立臺灣大學醫學工程學系教授林宗宏則表示,因現今的光學感測器在天候不佳時難以使用,但此作品能與光學系統的感測器可以互補,具有可看性。對此,賴盈至教授表示未來亦會往此方向發展,並補充道:「如何讓原料以便宜且大量生產製作,則是未來的挑戰。」

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