Nano Energy: 基于磁性微针阵列的柔性摩擦-电磁复合发电机应用于人体运动监测

【引言】

过去十年中，可穿戴电子产品有效地提高了人类与环境互动的能力，因而受到研究者的广泛关注。人体在日常活动中可以产生相当客观的生物机械能，可以为可穿戴的传感器进行能量供应。将机械能转换成电能的四种主要机制包括静电、压电、电磁电和摩擦电，其中摩擦发电机（TEG）和电磁发电机（EMG）是两种最有效的方法，在能量收集和自驱动传感方面都有广泛的应用。TEG适用于低频率的工作环境，对机械外力的幅值有良好的响应，适合检测机械力的强度；而EMG更适用于高频率的环境，对机械外力的频率有更好的响应，适合检测机械力的速度。因此，将TEG和EMG集成为摩擦-电磁复合发电机（TEHG）来实现二者的优势互补是一个重要的研究方向。TEHG具有宽频带工作范围和高灵敏度特性，并且同时具有较高的输出功率密度，在自供电传感方面具有许多独特的优点。

目前，研究者们已经开发出了多种结构的TEHGs，如悬浮结构的TEHG、旋转盘结构的TEHG、旋转套筒结构的TEHG、水轮结构的TEHG、管状结构的TEHG、基于铁磁流体的TEHG、基于铁磁性纳米颗粒的TEHG等。然而，大多数TEHGs质量过大（>1kg）或结构复杂，难以方便地应用于柔性传感器和可穿戴电子设备。因此，开发出全柔性、体积小、质量轻，适用于可穿戴电子器件的新型TEHG仍然具有挑战性。

【研究简介】

近日，中山大学生物医学工程学院蒋乐伦副教授团队与香港中文大学汪正平院士团队合作开发了一种基于磁性微针阵列的柔性摩擦-电磁复合发电机可用于人体运动监测。研究成果发表在Nano Energy上，题目为“A Magnetized Microneedle-Array Based Flexible Triboelectric-Electromagnetic Hybrid Generator for Human Motion Monitoring”。其中中山大学生物医学工程学院的李媛媛硕士和陈志鹏博士后为共同第一作者。

【图文简介】

图1

（a）磁场辅助气喷自组装制备方法示意图；（b）磁场辅助气喷自组装过程及液体微针在5种状态（t≈0.1s，1s，5s，10s，15s）下的磁场分布；（c）气喷自组装过程中微针的平均高度、中径和密度；（d）仿真计算了在300 mT外磁场和0.2m/s初始喷雾速度下，磁性微液滴的运动轨迹和微针的生长情况。 

图2

（a）基于磁性微针阵列的摩擦-电磁复合发电机结构示意图；（b1）TEHG照片；（b2）微针阵列的扫描电镜图像。（b3）柔性线圈照片。（c）TEHG工作原理示意图。 

图3

（a1）压缩过程中弯曲至不同角度的微针；（a2）COMSOL分析了TEG的电势分布；（a3-a4）COMSOL分析了EMG的磁场分布（正视图和俯视图）；（b1）在复合发电机上施加外力时电极位移变化；（b2）仿真结算的TEG在两个电极上的电势；（b3）COMSOL仿真计算的穿过铜线圈的平均磁通密度；（b4）COMSOL仿真计算EMG部分的短路电流Isc。 

图4

（a,b）TEG的Voc和Isc；（c,d）EMG的Voc和Isc；（e-h）输出电压、电流和功率密度随负载电阻的变化；（i-l）外力幅值和频率对TEG的Voc（i,j）和EMG的Isc（k,l）的影响。

图5

（a）TEHG在3000次压缩-释放循环中的电输出性能和（b）机械性能；（c）经过3000次压缩-释放操作后的微针阵列的扫描电镜图像；（d）将TEHG集成到鞋内进行走路试验；（e-f） 步行试验中记录的TEG的Voc和EMG的Isc；（g）将TEHG集成到鞋内进行跑步试验；（h）试验中记录的TEG的Voc和EMG的Isc；（j）将TEHG固定在手臂内侧上；（k-l）手臂运动时记录的TEG的Voc和EMG的Isc。

【小结】

作者开发了一种新型的基于磁性微针阵列的柔性摩擦-电磁复合发电机，用于监测人体运动。首次提出了磁场辅助气喷自组装的方法，并将制造出的磁性微针阵列应用于摩擦-电磁复合发电机。TEHG中的磁性微针阵列作为一个关键的结构，一方面作为摩擦发电机（TEG）的摩擦材料，产生摩擦电荷；另一方面作为电磁发电机（EMG）的可弯曲磁体，提供变化的磁场，产生电磁信号。TEG利用微针的弯曲-摩擦-恢复的特性产生摩擦电，EMG利用磁化微针的旋转产生感应电动势。在30 N和1 Hz的压缩-释放过程中，TEG能输出10 V的开路电压，EMG能产生80 μA的短路电流。研究证明，将基于MA的TEHG集成在鞋垫中、附着在肘部，可以作为自供电传感器监测人体运动。考虑到其具有全柔性、体积小、质量轻等独特的优点，此种基于磁性微针阵列的摩擦-电磁复合发电机在可穿戴电子设备、自供电传感器和医疗监护系统中具有广阔的应用前景。

文献链接：A Magnetized Microneedle-Array Based Flexible Triboelectric-Electromagnetic Hybrid Generator for Human Motion Monitoring. Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104415.

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