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  根據世界衛生組織發布的數據顯示，全世界已有超過3600萬名盲人。由于視力受損，盲人無法像正常人一樣學習和閱讀。盲文是專為盲人設計、靠觸覺感知的文字。它們由6個觸點組成，這些觸點被排列成三行兩列，可以組合成不同的字符。通過觸摸，盲人可以從盲文書中獲得文本信息。但是，現在的紙制盲文書籍較為厚重，且內容無法更新，難以快速、實時地給盲人提供最新的信息。

  介電彈性體是一種電活性聚合物，在電場作用下會產生大幅的形變，并在電場消失后立即恢復其原始尺寸，具有輕便、可快速變形的能力，適于制作新型可擦寫盲文顯示設備。但是，常見的介電彈性體驅動裝置都是高壓電源，不僅重量大、耗電量大、價格也很昂貴，難以用于便攜的盲文顯示設備，而且高壓電源還對人體有安全隱患。因此，如果有一種輕便、經濟、安全的裝置能產生高電壓來驅動介電彈性體薄膜，將使便攜的、可擦寫盲文書成為現實，給眾多無法使用觸摸屏的盲人帶來真實“可觸”的好處。

  近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟課題組與陳翔宇課題組，以摩擦納米發電機（TENG）為高壓源，研制了一種基于介質彈性體的盲文顯示系統，該系統具有簡單輕巧、制作成本低，安全可靠等特點。研究者通過優化器件設計，使TENG產生3000多伏的電壓，其短路電流僅為微安級，不會對人體產生任何危害，可驅動介電彈性體薄膜，使其發生形變，并成為可觸摸的盲文觸點；基于此，研究者設計了盲文顯示器件基礎單元（以下簡稱盲文單元），并加入程控開關矩陣實現了可擦寫的復雜顯示方案，使該器件具有了刷新和顯示不同盲文字符的功能，可構建盲文顯示陣列，展示了作為可擦寫盲文顯示系統的潛力，為設計便攜式盲文電子書提供了新的技術和思路。相關成果以” Refreshable Braille Display System Based on Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer”為題發表在國際權威期刊Advanced Functional Materials (2020, 2006612).

圖1. 可擦寫盲文展示系統的設計

  如圖1所示，整個盲文顯示系統由盲文單元、TENG和控制模塊組成。采用單電極滑動式TENG作為驅動源。盲文單元的主體部分為具有柔性電極（碳脂電極）的介電彈性體，單元內有空腔。

圖2. TENG的電學表征

  如圖2所示，經過等離子體刻蝕的Kapton薄膜有效地提高了TENG的輸出性能。為了更好地說明TENG作為高壓源的安全優勢，研究者分別測量由TENG和商用高壓電源驅動的介電彈性體的擊穿電流（I_break）。結果表明由TENG引起的I_break（44.34 μA）遠遠小于由商用高壓電源引起的I_break（28663 μA）。圖2c, 2d, 2e分別是對面積為16cm² TENG的電學表征

圖3. TENG驅動介電彈性體的原理及影響觸點突起高度的因素

  如圖3所示，TENG驅動介電彈性體的原理為：根據摩擦電序列，Kapton具有比Al更強的電負性。初始狀態下Kapton膜的表面上聚集負電荷，而在Al箔的表面上聚集等量的正凈電荷。TENG在滑動過程中，電子從Al注入到Kapton中，這兩種材料之間會出現壓降，連接在TENG與地之間的介電彈性體具有電容特性，因此將承受這種壓降。受麥克斯韋力的影響，介電彈性體薄膜被橫向拉伸，盲文單元內的氣體將其轉變為突起的觸點。腔體的氣壓(圖3c, 3d, 3f)、TENG的面積(圖3d, 3e)、以及介電彈性體的預拉伸率是影響觸點突起高度的主要因素。圖3g, 3h分別為TENG驅動介電彈性體時，TENG電荷的積累與釋放過程，和相應觸點突起高度的升降過程。

圖4. 具有六個介電彈性體觸點的盲文顯示單元

  如圖4所示，研究人員設計具有六個觸點的盲文顯示單元，并用陣列化的TENG驅動每個觸點以確保每個觸點都能獲得良好的驅動力，并同時展示A, B, C三個盲文字符。

圖5. 加入控制器的可擦寫盲文顯示系統

  如圖5所示，控制器的加入，使同一個盲文單元實現不同盲文字符的展示。研究者用同個盲文單元分別展示T, E, N, G四個盲文字符，實現了盲文的可擦寫展示功能。圖5c是對對便攜式可擦寫盲文電子書的展望。

  結論：該研究提出了一種基于TENG和介電彈性體的可擦寫盲文顯示系統的設計思路，并進行系統展示。利用TENG輸出的上千伏電壓，使介電彈性體薄膜形變，從而形成盲文觸點，并通過可控開關，通過程序控制使每個盲文單元顯示不同的盲文字符。整個系統易于制造，安全且方便，雖然要實際應用還要解決很多技術問題，但是本研究為便攜式可擦寫盲文電子書提供了一種新的思路和可能。

  論文第一作者為曲學鋮、馬秀、石波璟，論文通訊作者為李舟研究員和陳翔宇研究員。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金等項目支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006612