中科院北京納米所&廣西大學Nano Energy：用于生物機械能收集和自供電雙模式人體運動監測的柔性和可拉伸摩擦納米發電機織物 ?

【引言】

隨著便攜式電子技術的飛速發展，對可穿戴織物傳感器的新功能提出了迫切的要求，特別是在自供電領域。利用皮膚開發可穿戴織物傳感器在人體生理信號監測、動作識別、醫療康復、人機交互等方面有著廣泛的應用。摩擦電納米發電機（TENG）是一種結合摩擦起電和靜電感應的新型能量收集技術，它可以將周圍各種機械能轉化為電能。此外，可穿戴的TENG織物具有成本低、結構簡單、適應性好、循環壽命長等優點，在可穿戴電源、可穿戴自供電傳感、人機交互等方面具有很大的發展前景，成為自供電可穿戴傳感器技術的一個有希望的候選材料。近年來，人們對柔性、可伸縮、靈敏、超適形、機械耐穿的TENG面料進行了大量的研究。為了提高TENG織物的綜合性能，考慮了TENG織物的自愈、電致發光、機械致發光、形狀記憶、可恢復性等特殊功能，擴大了應用范圍。然而，TENG織物的透氣性、與皮膚的良好貼合性、可重復使用性和多模態傳感性能等特性被忽視，這極大地限制了其實際應用。透氣性是人體調節溫度和濕度平衡的重要途徑，可以實現與外界環境的熱量和氣體的交換。然而，以往的許多工作都是用金屬作為TENG織物的電極或膜作為基體，這可能會阻礙皮膚的透氣性，從而進一步引起皮膚的不適，甚至導致皮炎和瘙癢癥。由于TENG織物是人體與皮膚長期接觸的介質，是收集和傳遞皮膚信號的重要途徑，因此與皮膚良好的貼合性是TENG織物提高信號敏感性和皮膚舒適度的重要性能指標。此外，TENG面料大部分是不可重復使用的，使用壽命結束后可能成為電子垃圾，造成環境污染，甚至危及身體健康。因此，有必要制備可水洗、可重復使用、成本低、環保的TENG織物。

【成果簡介】

近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所翟俊宜研究員、廣西大學萬玲玉教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所于愛芳研究員等人帶領下，以螺旋彈簧為內支撐層，以機械發光的ZnS:Cu/PDMS復合材料為外摩擦層和內芯，設計并制造了一種柔性、可拉伸的同軸摩擦納米發電機（TENG）紗線。通過編織同軸的TENG紗線，或與其他紗線混合編織，可以制造出多功能的TENG織物，從人體運動或周圍環境中收集外部機械能。更重要的是，它可以通過電學（通過TENG）和光學（通過機械發光的ZnS:Cu/PDMS復合材料）兩種方式自供電感知人體運動。這項工作為可穿戴TENG織物的雙模式傳感和能量收集提供了新的策略，在長期醫療監測和人機交互系統中有潛在的應用前景。該成果以題為“Flexible and stretchable triboelectric nanogenerator fabric for biomechanical energy harvesting and self-powered dual-mode human motion monitoring”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1 TENGs的制造過程和結構特征

a）五層TENG紗線的制備過程示意圖。

b）可拉伸的TENG的照片，拉伸至50%應變水平后，可以很好地保持。

c）柔性的TENG的照片，也可以折疊成不同的形狀。

d）摻雜在PDMS（黃色）中的ZnS:Cu顆粒（藍色）（比例尺：200 μm）和e）其部分放大圖（比例尺：50 μm）的彩色表面形貌SEM圖像。

f，g）TENGs的橫截面圖和h）側視圖SEM圖像，其中ZnS:Cu/PDMS的外層涂藍色，內層涂紅色，并將彈簧涂成黃色。

圖2 不同層數TENGs的結構和電輸出性能

a）涂不同層數得到不同直徑的TENGs的照片。

b）測量不同層下TENGs的直徑，插圖是放大圖。

c-g）c）1層、d）2層、e）3層、f）4層、g）5層TENGs的橫截面SEM圖像。

h-j）TENGs隨涂層（1-5）的變化的h）開路電壓，i）短路電流和j）短路轉移電荷。

圖3 TENGs的工作機制、可拉伸性和電輸出性能

a）TENG截面的工作原理示意圖。

b）通過COMSOL軟件模擬TENG的相應電位分布。

c）在不同涂層下，TENGs的拉伸應力-應變行為。

d-g）在各種拉伸應變水平（0-50％）下，初始長度為100 mm，摻雜濃度為30％的TENGs的電輸出，包括d）VOC，e）ISC和f）QSC。

g-i）TENGs在各種摻雜濃度（0-50％）下的g）VOC、h）ISC和i）QSC的變化。

j-l）TENGs在各種頻率（1-5 Hz）下的j）VOC、k）ISC和l）QSC的變化。

圖4 用于機械感應和能量收集的智能 TENGs織物

a）11×11陣列傳感織物的結構示意圖。插圖是不同方向局部放大的斜視圖，基本傳感單元，側視圖，TENG織物整體形態分別分布在其左上、右上、左中、左下、右下。

b）TENG織物傳感陣列的照片，以及c）部分放大圖。

d）TENG織物陣列劃分為11×11傳感像素的示意圖。

e）經紗（藍色）綁定TENG（紫色）的示意圖，插圖是放大的細節圖。

f-h）TENG織物由不同的紗線綁在一起，包括羊毛（f，g）和PTFE（h）。

i）9×11像素的TENG織物的示意圖。

j）帶有藍色虛線的TENG織物陣列的照片顯示了線性馬達接觸的位置，這表明收集能量的TENG織物可以輕松點亮60個LED并驅動智能手表。

k）TENG織物在不同載荷作用下的輸出電壓。

l）對各種輸出信號的壓力響應隨時間變化，表明TENG織物的良好重復性。

圖5?TENGs監測全身生理信號和關節彎曲程度

a）不同監測部位的TENGs的運動人體模型的示意圖。對應的檢測部位用紅色圓球標記。

b）實時監測TENG是一個擺動傳感器，用于檢測手臂的擺動角度。插圖顯示不同的運動狀態，右邊放大的是一個完整的波形。

c）通過在脖子上安裝一個TENG，對頭部上下的電壓響應。

d）當測試者搖頭時，頸部也會有TENG的電壓信號。

e）當手指彎曲30°、45°、60°、90°和120°時，TENG的V_OC作為彎曲傳感器。

f）通過在肘部捆綁一個TENG來監測手臂彎曲程度。

g）通過在手腕上固定一個TENG來檢測手腕的屈曲。

h）鞋底的TENG實時電壓輸出，顯示行走和跑步的不同運動狀態。

i）通過在人的腳踝上佩戴一個TENG來監視腳，包括擺動腳和走路。左、右分別放大腳上下擺動和行走的完整波形。

j）在腿從膝蓋抬起時產生電壓信號。

k）通過將TENG集成到人的膝蓋來監控踢腿。

【小結】

綜上所述，采用ZnS:Cu/PDMS復合材料和彈簧復合材料，結合摩擦起電效應和機械致發光效應，制備了具有良好的形狀適應、力致發光、可重復使用等特殊功能的柔性、可拉伸、靈敏、自供電可穿戴織物傳感器。這種大面積、雙模式傳感、自供電的可穿戴織物傳感器不僅可以進行能量收集、信號檢測圖像處理、實時監測人體關節的彎曲度，還可以通過機械發光傳感器直觀地看到施力和發射光的變化。基于高靈敏的多模態響應、大規模能量收集、顯著的人/環境友好性、多元化的人機交互等優點，在醫療康復、人工智能、智能電子皮膚等領域有著廣闊的應用前景，為下一代可穿戴電子皮膚的研制提供了參考。

文獻鏈接：Flexible and stretchable triboelectric nanogenerator fabric for biomechanical energy harvesting and self-powered dual-mode human motion monitoring（Nano Energy,?2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106058）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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