中科院北京纳米所&广西大学Nano Energy：用于生物机械能收集和自供电双模式人体运动监测的柔性和可拉伸摩擦纳米发电机织物  

【引言】

随着便携式电子技术的飞速发展，对可穿戴织物传感器的新功能提出了迫切的要求，特别是在自供电领域。利用皮肤开发可穿戴织物传感器在人体生理信号监测、动作识别、医疗康复、人机交互等方面有着广泛的应用。摩擦电纳米发电机（TENG）是一种结合摩擦起电和静电感应的新型能量收集技术，它可以将周围各种机械能转化为电能。此外，可穿戴的TENG织物具有成本低、结构简单、适应性好、循环寿命长等优点，在可穿戴电源、可穿戴自供电传感、人机交互等方面具有很大的发展前景，成为自供电可穿戴传感器技术的一个有希望的候选材料。近年来，人们对柔性、可伸缩、灵敏、超适形、机械耐穿的TENG面料进行了大量的研究。为了提高TENG织物的综合性能，考虑了TENG织物的自愈、电致发光、机械致发光、形状记忆、可恢复性等特殊功能，扩大了应用范围。然而，TENG织物的透气性、与皮肤的良好贴合性、可重复使用性和多模态传感性能等特性被忽视，这极大地限制了其实际应用。透气性是人体调节温度和湿度平衡的重要途径，可以实现与外界环境的热量和气体的交换。然而，以往的许多工作都是用金属作为TENG织物的电极或膜作为基体，这可能会阻碍皮肤的透气性，从而进一步引起皮肤的不适，甚至导致皮炎和瘙痒症。由于TENG织物是人体与皮肤长期接触的介质，是收集和传递皮肤信号的重要途径，因此与皮肤良好的贴合性是TENG织物提高信号敏感性和皮肤舒适度的重要性能指标。此外，TENG面料大部分是不可重复使用的，使用寿命结束后可能成为电子垃圾，造成环境污染，甚至危及身体健康。因此，有必要制备可水洗、可重复使用、成本低、环保的TENG织物。

【成果简介】

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所翟俊宜研究员、广西大学万玲玉教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所于爱芳研究员等人带领下，以螺旋弹簧为内支撑层，以机械发光的ZnS:Cu/PDMS复合材料为外摩擦层和内芯，设计并制造了一种柔性、可拉伸的同轴摩擦纳米发电机（TENG）纱线。通过编织同轴的TENG纱线，或与其他纱线混合编织，可以制造出多功能的TENG织物，从人体运动或周围环境中收集外部机械能。更重要的是，它可以通过电学（通过TENG）和光学（通过机械发光的ZnS:Cu/PDMS复合材料）两种方式自供电感知人体运动。这项工作为可穿戴TENG织物的双模式传感和能量收集提供了新的策略，在长期医疗监测和人机交互系统中有潜在的应用前景。该成果以题为“Flexible and stretchable triboelectric nanogenerator fabric for biomechanical energy harvesting and self-powered dual-mode human motion monitoring”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1 TENGs的制造过程和结构特征

a）五层TENG纱线的制备过程示意图。

b）可拉伸的TENG的照片，拉伸至50%应变水平后，可以很好地保持。

c）柔性的TENG的照片，也可以折叠成不同的形状。

d）掺杂在PDMS（黄色）中的ZnS:Cu颗粒（蓝色）（比例尺：200 µm）和e）其部分放大图（比例尺：50 µm）的彩色表面形貌SEM图像。

f，g）TENGs的横截面图和h）侧视图SEM图像，其中ZnS:Cu/PDMS的外层涂蓝色，内层涂红色，并将弹簧涂成黄色。

图2 不同层数TENGs的结构和电输出性能

a）涂不同层数得到不同直径的TENGs的照片。

b）测量不同层下TENGs的直径，插图是放大图。

c-g）c）1层、d）2层、e）3层、f）4层、g）5层TENGs的横截面SEM图像。

h-j）TENGs随涂层（1-5）的变化的h）开路电压，i）短路电流和j）短路转移电荷。

图3 TENGs的工作机制、可拉伸性和电输出性能

a）TENG截面的工作原理示意图。

b）通过COMSOL软件模拟TENG的相应电位分布。

c）在不同涂层下，TENGs的拉伸应力-应变行为。

d-g）在各种拉伸应变水平（0-50％）下，初始长度为100 mm，掺杂浓度为30％的TENGs的电输出，包括d）VOC，e）ISC和f）QSC。

g-i）TENGs在各种掺杂浓度（0-50％）下的g）VOC、h）ISC和i）QSC的变化。

j-l）TENGs在各种频率（1-5 Hz）下的j）VOC、k）ISC和l）QSC的变化。

图4 用于机械感应和能量收集的智能 TENGs织物

a）11×11阵列传感织物的结构示意图。插图是不同方向局部放大的斜视图，基本传感单元，侧视图，TENG织物整体形态分别分布在其左上、右上、左中、左下、右下。

b）TENG织物传感阵列的照片，以及c）部分放大图。

d）TENG织物阵列划分为11×11传感像素的示意图。

e）经纱（蓝色）绑定TENG（紫色）的示意图，插图是放大的细节图。

f-h）TENG织物由不同的纱线绑在一起，包括羊毛（f，g）和PTFE（h）。

i）9×11像素的TENG织物的示意图。

j）带有蓝色虚线的TENG织物阵列的照片显示了线性马达接触的位置，这表明收集能量的TENG织物可以轻松点亮60个LED并驱动智能手表。

k）TENG织物在不同载荷作用下的输出电压。

l）对各种输出信号的压力响应随时间变化，表明TENG织物的良好重复性。

图5 TENGs监测全身生理信号和关节弯曲程度

a）不同监测部位的TENGs的运动人体模型的示意图。对应的检测部位用红色圆球标记。

b）实时监测TENG是一个摆动传感器，用于检测手臂的摆动角度。插图显示不同的运动状态，右边放大的是一个完整的波形。

c）通过在脖子上安装一个TENG，对头部上下的电压响应。

d）当测试者摇头时，颈部也会有TENG的电压信号。

e）当手指弯曲30°、45°、60°、90°和120°时，TENG的V_OC作为弯曲传感器。

f）通过在肘部捆绑一个TENG来监测手臂弯曲程度。

g）通过在手腕上固定一个TENG来检测手腕的屈曲。

h）鞋底的TENG实时电压输出，显示行走和跑步的不同运动状态。

i）通过在人的脚踝上佩戴一个TENG来监视脚，包括摆动脚和走路。左、右分别放大脚上下摆动和行走的完整波形。

j）在腿从膝盖抬起时产生电压信号。

k）通过将TENG集成到人的膝盖来监控踢腿。

【小结】

综上所述，采用ZnS:Cu/PDMS复合材料和弹簧复合材料，结合摩擦起电效应和机械致发光效应，制备了具有良好的形状适应、力致发光、可重复使用等特殊功能的柔性、可拉伸、灵敏、自供电可穿戴织物传感器。这种大面积、双模式传感、自供电的可穿戴织物传感器不仅可以进行能量收集、信号检测图像处理、实时监测人体关节的弯曲度，还可以通过机械发光传感器直观地看到施力和发射光的变化。基于高灵敏的多模态响应、大规模能量收集、显著的人/环境友好性、多元化的人机交互等优点，在医疗康复、人工智能、智能电子皮肤等领域有着广阔的应用前景，为下一代可穿戴电子皮肤的研制提供了参考。

文献链接：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）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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