王中林Adv. Mater.：可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發電機作為電子皮膚用于生物力學能量采集和多功能壓力傳感

【引言】

通過功能性電子器件來模擬人類皮膚的基本特征是發展智能技術的重要一步，近年來具有類人類感知能力的人工皮膚成為一個重要的研究方向，而其中電子皮膚的研究更吸引了廣泛的研究興趣。電子皮膚需要覆蓋動態且不規則的表面，而且能夠承受多種重復、長時間的機械刺激（比如壓力、應變和彎曲等）。作為多功能傳感器，還要滿足高拉伸性、高靈敏度、寬感應范圍以及快速響應的要求。目前，多種柔性可拉伸的電子皮膚已經被成功開發出來，能夠測量人類活動所產生的電信號。這些傳感器是基于諸如壓電性、電容以及壓阻效應等不同機理。摩擦納米發電機是一種能夠實現能量富集和自供電的傳感技術，將其與電子皮膚相結合有望為下一代可穿戴電子產品、個性化醫療以及人機界面等領域帶來新的機會。

【成果簡介】

近日，美國佐治亞理工學院王中林教授課題組開發了一種簡單、低成本的方法制備可拉伸的摩擦納米發電機的方法，其可以用作多功能電子皮膚，并實現了生物力學能量的采集以及多種機械刺激的感知。通過在硅橡膠彈性體中嵌入連續的“鏈式”柵欄狀交錯的導電網絡，賦予了該種電子皮膚以良好的透明性和拉伸性、高壓敏感性以及優異的機械穩定性。研究表明，該摩擦納米發電機能夠點亮高達170個LED，而且其作為多功能傳感器能夠監測人的諸如動脈脈沖和聲音振動等生理信號。該成果以題為"A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing"發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 SI-TENG的結構設計和工作機理

(a) 采用“鏈式”柵欄狀結構和菱形單元設計的SI-TENG示意圖；

(b) 一個SI-TENG的照片；

(c) SI-TENG的局部放大視圖；

(d) SI-TENG附著在人的前臂上的照片；

(e) SI-TENG在任意面內拉伸甚至可以卷起來的照片；

(f) SI-TENG系統內重復菱形單元的面內拉伸行為的示意圖；

(g) 單電極模式下的SI-TENG工作機制示意圖；

(h) 利用COMSOL軟件計算得到SI-TENG處于最大分離狀態下的電位分布。

圖2 SI-TENG的電輸出性能

(a-c) 嵌入式電極對電輸出性能(包括(a) V_OC；(b)Isc 和(c)Qsc )的影響；

(d) SI-TENG在不同的加載頻率（1-5 HZ）下V_OC；

(e) SI-TENG在不同的加載頻率（1-5 HZ）下Isc；

(f) SI-TENG在不同的加載頻率（1-5 HZ）下Qsc；

(g) 瞬時輸出電流密度隨外部電阻的變化；

(h) 功率密度隨外部電阻的變化；

(i) SI-TENG的長期穩定性和耐久性測試。

圖3 SI-TENG的能量采集能力、壓力敏感性和生理監測應用

(a) 帶有灰色或紅色導電紗線標記為字母的SI-TENG照片；

(b) 通過使用相應的字母點擊SI-TENG點亮不同LED單元的演示；

(c) 在正常狀態下通過點擊SI-TENG來點亮170個LED的演示；

(d) 在拉伸狀態下通過點擊SI-TENG來點亮170個LED的演示；

(e) 在不同打擊頻率（1-5 HZ）下SI-TENG的充電能力；

(f) 在不同電容下（1–22 μF）下SI-TENG的充電能力；

(g) 通過手動敲擊SI-TENG來展示為商用手表供電；

(h) SI-TENG的充電電壓與充電時間的函數關系；

(i) SI-TENG的OC電壓和SC電流隨負載力的變化；

(j) 基于SI-TENG的壓力傳感器對各種載荷（5，10，20和25 N）的響應；

(k) 在正常和運動條件下的實時動脈脈搏波譜；

(l) 從(k)中的標記區域提取的單信號波形；

(m) 佩戴者說“你好”，“蘋果”和“橙子時識別的聲音信號。

圖4基于SI-TENG的壓力傳感器作為智能假手、自動計步器/速度計和柔性數字鍵盤的應用

(a) 植入到指尖上的五個壓力傳感手套的照片；

(b) 對應五種不同手部動作的五個獨立壓力傳感器的實時電壓信號；

(c) 個性化智能假肢的輸出接口；

(d) SI-TENG縫在襪子后跟上的照片；

(e) 展示不同運動狀態（包括站立、行走和跑步）的照片；

(f) 在行走和跑步過程中兩個SI-TENG（分別附在左腳和右腳）的實時電壓信號；

(g) 自動計步器和速度計軟件輸出接口；

(h) 帶有九個數字按鈕柔性數字鍵盤的照片；

(i) 柔性數字鍵盤貼合在人前臂上的照片；

(j) 用于自供電數字鍵盤的數字顯示接口。

圖5 基于SI-TENG的壓力傳感器作為可伸縮觸覺傳感陣列的應用

(a) 基于SI-TENG的觸覺傳感陣列的示意圖；

(b) 基于SI-TENG的觸覺傳感陣列的照片；

(c) 基于SI-TENG的觸覺傳感陣列的拉伸性能的顯示照片；

(d) 基于SI-TENG的觸覺陣列分為8×8個感應像素的示意圖；

(e) 每個像素的實時電壓信號和手指觸摸輸出界面中顯示的位置；

(f) 頂部有矩形和十字形塊的基于SI-TENG的觸覺傳感陣列的照片以及它們在傳感陣列中的相應平面壓力強度分布。

【小結】

本文中報道了一種可拉伸的摩擦納米發電機的簡單制備方法，其可以作為多功能電子皮膚使用并實現了能量富集和多功能壓力傳感。該電子皮膚具有透明性和拉伸性、高敏感性以及優異的機械穩定性并可以用作個性化智能假肢、實時計步器、以及自供電的柔性數字鍵盤等。此外，該類摩擦納米發電機有望在人形機器人、生物醫學假肢、生理監測、自供電運動傳感和人機接口設備等領域進一步得到應用。

文獻鏈接：A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing??(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804944)

【團隊介紹】

在佐治亞理工學院王中林院士帶領下，董凱博士、吳秩譯博士等研究員開發設計了一種具有機械能采集和多功能信號傳感功能的電子皮膚。該電子皮膚是基于摩擦納米發電效應，將三束扭轉的導電尼龍紗線組成的平面紗線導電網絡埋入到硅膠彈性體中，實現機械能采集和多功能壓力信號傳感。

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本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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