东华大学Nano Energy: 自供能“如意金箍棒”作为主动式运动传感器

引言

可穿戴运动传感器在过去几十年中取得了长足的进步，可广泛地应用于军事、医疗、电影、体育、互动式游戏、机器人控制等领域，然而目前其发展仍旧面临着许多严峻的挑战。特别是，人体运动过程中的大幅度形变会降低或损坏传感器件的功能和结构，而传统的薄膜状运动传感器因其固有的平面结构导致拉伸性能受到严重抑制，并且其灵敏度也受到影响。此外，现有的可拉伸式传感器主要基于外力诱导的电容或电阻的变化，通常需要提供额外电源，从而其使用环境和使用寿命受到影响。因此，发展具有高拉伸性、高灵敏度、自供能的环境适应性可穿戴运动传感器十分必要。

成果简介

 近日，东华大学王宏志教授、张青红研究员（共同通讯作者）等人在Nano Energy发表了题为 “A wearable, fibroid, self-powered active kinematic sensor based on stretchable sheath-core structural triboelectric fibers”的研究论文，博士生龚维和青年教师侯成义为论文共同第一作者。研究团队通过对芯纤维进行内置波浪式设计，使得整个装置具有超高的拉伸性（应变300%），以及高达100%的工作应变；通过控制芯纤维与可拉伸皮纤维管进行有效接触，使得器件不仅具有高的拉伸灵敏度，而且具有高的压缩和弯曲灵敏度，从而获取具有高拉伸性和高灵敏度的可拉伸皮芯结构摩擦电纤维（stretchable sheath-core structural triboelectric fibers, SSCTEF）。该团队将此纤维应用于可穿戴式传感器领域，构建了全电位的人体监测系统，既可以实时监测人体关节运动，也可以通过编织技术实现人体受力的空间分辨，还可以识别人体织物的受力方向与大小。在摩擦纳米发电技术领域，该团队第一次利用内置波浪结构设计了可拉伸摩擦电纤维，这种技术可以扩展到其他柔性电子领域，以构建可拉伸功能器件，给全电位可穿戴式拉伸传感器提供了全新的研究思路，同时有力的促进了可拉伸材料在摩擦纳米发电技术领域的应用，推动人机交互系统服务人类。

图文导读

 图一：SSCTEF的结构和工作机理

（a）工作期间，SSCTEF运动状态示意图；

（b）将类“金箍棒”的SSCTEF贴合于人体各处，用于构建全电位人体监测系统；

（c）在SSCTEF预拉伸时，摩擦电荷产生过程示意图；

（d）在SSCTEF拉伸收缩期间，电荷产生与转移过程示意图；

（e）应变下SSCTEF电势分布的有限元仿真。

图二：SSCTEF作为主动式运动传感器的应用

(a)、(b)维的走路方式与特征信号；

(c)、(d)龙的走路方式与特征信号；

(e)、(f)程的走路方式与特征信号；

(g) 肘部弯曲时，SSCTEF的测试信号。

图三：SSCTEF应用在二维传感系统

(a)基于SSCTEF的压力传感器垫的俯视图和工作机理；

(b)、(c)当一组SSCTEF在交叉点被压缩50%时测得的输出电压对；

(d)十字架结构传感系统4个方向被同时拉伸时的俯视图和特征信号；

(e)十字架结构传感系统1、2和3、4方向先后同时被拉伸时的俯视图和特征信号；

(f)十字架结构传感系统4个方向依次被拉伸时的俯视图和特征信号。

文献链接： 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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