東華大學Nano Energy: 自供能“如意金箍棒”作為主動式運動傳感器

引言

可穿戴運動傳感器在過去幾十年中取得了長足的進步，可廣泛地應用于軍事、醫療、電影、體育、互動式游戲、機器人控制等領域，然而目前其發展仍舊面臨著許多嚴峻的挑戰。特別是，人體運動過程中的大幅度形變會降低或損壞傳感器件的功能和結構，而傳統的薄膜狀運動傳感器因其固有的平面結構導致拉伸性能受到嚴重抑制，并且其靈敏度也受到影響。此外，現有的可拉伸式傳感器主要基于外力誘導的電容或電阻的變化，通常需要提供額外電源，從而其使用環境和使用壽命受到影響。因此，發展具有高拉伸性、高靈敏度、自供能的環境適應性可穿戴運動傳感器十分必要。

成果簡介

?近日，東華大學王宏志教授、張青紅研究員（共同通訊作者）等人在Nano Energy發表了題為 “A wearable, fibroid, self-powered active kinematic sensor based on stretchable sheath-core structural triboelectric fibers”的研究論文，博士生龔維和青年教師侯成義為論文共同第一作者。研究團隊通過對芯纖維進行內置波浪式設計，使得整個裝置具有超高的拉伸性（應變300%），以及高達100%的工作應變；通過控制芯纖維與可拉伸皮纖維管進行有效接觸，使得器件不僅具有高的拉伸靈敏度，而且具有高的壓縮和彎曲靈敏度，從而獲取具有高拉伸性和高靈敏度的可拉伸皮芯結構摩擦電纖維（stretchable sheath-core structural triboelectric fibers, SSCTEF）。該團隊將此纖維應用于可穿戴式傳感器領域，構建了全電位的人體監測系統，既可以實時監測人體關節運動，也可以通過編織技術實現人體受力的空間分辨，還可以識別人體織物的受力方向與大小。在摩擦納米發電技術領域，該團隊第一次利用內置波浪結構設計了可拉伸摩擦電纖維，這種技術可以擴展到其他柔性電子領域，以構建可拉伸功能器件，給全電位可穿戴式拉伸傳感器提供了全新的研究思路，同時有力的促進了可拉伸材料在摩擦納米發電技術領域的應用，推動人機交互系統服務人類。

圖文導讀

?圖一：SSCTEF的結構和工作機理

（a）工作期間，SSCTEF運動狀態示意圖；

（b）將類“金箍棒”的SSCTEF貼合于人體各處，用于構建全電位人體監測系統；

（c）在SSCTEF預拉伸時，摩擦電荷產生過程示意圖；

（d）在SSCTEF拉伸收縮期間，電荷產生與轉移過程示意圖；

（e）應變下SSCTEF電勢分布的有限元仿真。

圖二：SSCTEF作為主動式運動傳感器的應用

(a)、(b)維的走路方式與特征信號；

(c)、(d)龍的走路方式與特征信號；

(e)、(f)程的走路方式與特征信號；

(g) 肘部彎曲時，SSCTEF的測試信號。

圖三：SSCTEF應用在二維傳感系統

(a)基于SSCTEF的壓力傳感器墊的俯視圖和工作機理；

(b)、(c)當一組SSCTEF在交叉點被壓縮50%時測得的輸出電壓對；

(d)十字架結構傳感系統4個方向被同時拉伸時的俯視圖和特征信號；

(e)十字架結構傳感系統1、2和3、4方向先后同時被拉伸時的俯視圖和特征信號；

(f)十字架結構傳感系統4個方向依次被拉伸時的俯視圖和特征信號。

文獻鏈接： A wearable, fibroid, self-powered active kinematic sensor based onstretchable sheath-core structural triboelectric fibers（Nano Energy, 2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.08.003）

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