Mechano-electro-optical conversion dynamics in mechanoluminescence and its application in remote human–robot interaction

机械容积 摩擦电效应 磁滞 材料科学 亮度 动力学(音乐) 电荷(物理) 压力(语言学) 化学 光学 生物系统 物理 过程(计算) 激发 化学物理 绝对震级 强度(物理) 幻觉 消散 热滞后
作者
Cheng Haoliang,Shuangqiang Fang,Yi Li,Qiangqiang Zhu,Yixi Zhuang,Rong-Jun Xie,Wei Yan,Ding Zhao,Min Qiu,Le Wang
出处
期刊:PhotoniX [Springer Nature]
卷期号:6 (1)
标识
DOI:10.1186/s43074-025-00210-6
摘要

Abstract Mechanoluminescence (ML) is bringing a paradigm-shifting for next-generation light-based human–robot interaction. However, the overlooked character of ML temporal dynamic response remains a critical barrier to overcoming the limitation of mechano-optical conversion efficiency. Here, by resolving the dynamic interplay among stimuli rate, interfacial charge accumulation and ML performance of three typical materials, like ZnS:Cu 2+ , SrAl 2 O 4 :Eu 2+ ,Dy 3+ , Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ , the cognition of ML has been deeply understand. Obviously, the ML performance is predominantly governed by the cross-coupling of stimuli rate and stimuli time rather than absolute stress magnitude. For the first time, the optimal stretching stimulation rate for commercial ZnS:Cu 2+ , SrAl 2 O 4 :Eu 2+ ,Dy 3+ and Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ are respectively determined as ~ 10.3 Mpa/s, ~ 11.0 Mpa/s, ~ 31.9 Mpa/s, which is of great significance for obtaining high-performance ML behavior, and an ubiquitous ML hysteresis phenomenon is demonstrated originating from a time-consuming mechano-electro-optical conversion process even existing in trap-controlled SrAl 2 O 4 :Eu 2+ ,Dy 3+ . Moreover, a qualitative relationship for ML brightness (MLB), stimuli rate ( sr ), stimuli time ( st ), inherent interfacial triboelectricity coefficient ( iitre ) and relative interfacial triboelectricity coefficient ( ritre ) is established as MLB = f ( sr )* g ( st )* p ( iitre )* q ( ritre ) for guiding the design of ML elastomers. For instance, based on this equation, a topology-optimized Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ @polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer is engineered, achieving unprecedented 693 times brighter emission, 78% lower stress threshold and 20% lighter weight, which is successfully applied in remote control (~ 450 m) of quadruped robot. Three main contributions of this work include: (i) demonstrating the influence law of temporal dynamic stimulation on ML performance. (ii) resolving long-standing mechano-optical asynchrony debates. (iii) establishing a universal guideline for designing high-performance ML platforms.
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