隨著信息化和智能化時代的到來，力學(xué)傳感在生產(chǎn)生活中起著越來越重要的作用，如電子皮膚的智能觸覺感知、機械部件對內(nèi)應(yīng)力的智能感知和監(jiān)測。將力學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行處理和監(jiān)測是目前常用的力學(xué)傳感方法，然而，該類力學(xué)傳感器依賴于特定的電路設(shè)計和專業(yè)的電學(xué)信號監(jiān)測設(shè)備，在諸多場景中仍無法應(yīng)用。摩擦發(fā)光，又稱力致發(fā)光，是指材料在受到力學(xué)刺激后產(chǎn)生的一種發(fā)光現(xiàn)象。由于摩擦發(fā)光直接建立了力學(xué)和可視化發(fā)光信號之間的關(guān)聯(lián)，其在可視化力學(xué)傳感應(yīng)用方面展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所摩擦物理與傳感課題組研究員王趙鋒團隊長期致力于摩擦發(fā)光與可視化力學(xué)傳感研究。近日，該研究團隊與西北師范大學(xué)教授薛中華團隊、美國康涅狄格大學(xué)教授Luyi Sun團隊合作，利用焦磷酸鍶的三維封閉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計開發(fā)出一種具有雙發(fā)光中心的摩擦發(fā)光材料（Sr₂P₂O₇:Eu,Y），該材料復(fù)合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基體后，在力學(xué)作用下展現(xiàn)出明亮、持續(xù)、顏色可調(diào)的摩擦發(fā)光（圖1）。

研究人員利用Sr₂P₂O₇:Eu,Y材料中藍色發(fā)光中心Eu²⁺和紅色發(fā)光中心Eu³⁺在力學(xué)響應(yīng)能力方面的差異性，進一步實現(xiàn)了Sr₂P₂O₇:Eu,Y/PDMS柔性材料在應(yīng)力/應(yīng)變驅(qū)動下摩擦發(fā)光顏色的演變，通過建立器件的力學(xué)信息與摩擦發(fā)光顏色之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)展出一種可通過發(fā)光顏色直接感知力學(xué)信息的可視化力學(xué)傳感方法（圖2）。

該方法無需復(fù)雜的監(jiān)測設(shè)備，通過裸眼直接觀測或商用攝像頭非接觸式地監(jiān)測發(fā)光顏色，即可獲取材料、部件的力學(xué)信息，且摩擦發(fā)光顏色穩(wěn)定，具有很強的實用性和可操作性，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、生物力學(xué)監(jiān)測、人工智能皮膚、人機交互、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域提供了新型、實用的力學(xué)傳感方法。

相關(guān)研究結(jié)果以Stress-induced color manipulation of mechanoluminescent elastomer for visualized mechanics sensing為題，發(fā)表在Nano Energy上。該論文的第一作者為西北師范大學(xué)與蘭州化物所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生田碧蓉，通訊作者為蘭州化物所王趙鋒研究員和西北師范大學(xué)薛中華教授，蘭州化物所固體潤滑國家重點實驗室為該工作的第一研究單位。

此前，該團隊通過摩擦發(fā)光器件設(shè)計，發(fā)展出多種富有創(chuàng)新性的力學(xué)傳感方法，如實現(xiàn)了一種基于摩擦發(fā)光信號可同時響應(yīng)拉伸應(yīng)變和拉伸狀態(tài)的柔性應(yīng)變傳感器（Advanced Functional Materials），以及一種可同時感知表面接觸物體實時位置、運動軌跡和接觸載荷的全方位接觸傳感器（Materials Horizons）。上述方法中關(guān)于力學(xué)數(shù)值的感知主要依賴于摩擦發(fā)光信號強度的變化。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、甘肅省杰出青年基金、中科院人才計劃、蘭州化物所以及固體潤滑國家重點實驗室的支持。

圖1.Sr₂P₂O₇:Eu,Y/PDMS的摩擦發(fā)光性能

圖2.應(yīng)力/應(yīng)變驅(qū)動下Sr₂P₂O₇:Eu,Y/PDMS的摩擦發(fā)光顏色演變，以及基于摩擦發(fā)光顏色的可視化力學(xué)傳感驗證