王中林Adv. Mater.：可拉伸的纱线嵌入式摩擦纳米发电机作为电子皮肤用于生物力学能量采集和多功能压力传感

【引言】

通过功能性电子器件来模拟人类皮肤的基本特征是发展智能技术的重要一步，近年来具有类人类感知能力的人工皮肤成为一个重要的研究方向，而其中电子皮肤的研究更吸引了广泛的研究兴趣。电子皮肤需要覆盖动态且不规则的表面，而且能够承受多种重复、长时间的机械刺激（比如压力、应变和弯曲等）。作为多功能传感器，还要满足高拉伸性、高灵敏度、宽感应范围以及快速响应的要求。目前，多种柔性可拉伸的电子皮肤已经被成功开发出来，能够测量人类活动所产生的电信号。这些传感器是基于诸如压电性、电容以及压阻效应等不同机理。摩擦纳米发电机是一种能够实现能量富集和自供电的传感技术，将其与电子皮肤相结合有望为下一代可穿戴电子产品、个性化医疗以及人机界面等领域带来新的机会。

【成果简介】

近日，美国佐治亚理工学院王中林教授课题组开发了一种简单、低成本的方法制备可拉伸的摩擦纳米发电机的方法，其可以用作多功能电子皮肤，并实现了生物力学能量的采集以及多种机械刺激的感知。通过在硅橡胶弹性体中嵌入连续的“链式”栅栏状交错的导电网络，赋予了该种电子皮肤以良好的透明性和拉伸性、高压敏感性以及优异的机械稳定性。研究表明，该摩擦纳米发电机能够点亮高达170个LED，而且其作为多功能传感器能够监测人的诸如动脉脉冲和声音振动等生理信号。该成果以题为"A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing"发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 SI-TENG的结构设计和工作机理

(a) 采用“链式”栅栏状结构和菱形单元设计的SI-TENG示意图；

(b) 一个SI-TENG的照片；

(c) SI-TENG的局部放大视图；

(d) SI-TENG附着在人的前臂上的照片；

(e) SI-TENG在任意面内拉伸甚至可以卷起来的照片；

(f) SI-TENG系统内重复菱形单元的面内拉伸行为的示意图；

(g) 单电极模式下的SI-TENG工作机制示意图；

(h) 利用COMSOL软件计算得到SI-TENG处于最大分离状态下的电位分布。

图2 SI-TENG的电输出性能

(a-c) 嵌入式电极对电输出性能(包括(a)V_OC；(b)Isc 和(c)Qsc )的影响；

(d) SI-TENG在不同的加载频率（1-5 HZ）下V_OC；

(e) SI-TENG在不同的加载频率（1-5 HZ）下Isc；

(f) SI-TENG在不同的加载频率（1-5 HZ）下Qsc；

(g) 瞬时输出电流密度随外部电阻的变化；

(h) 功率密度随外部电阻的变化；

(i) SI-TENG的长期稳定性和耐久性测试。

图3 SI-TENG的能量采集能力、压力敏感性和生理监测应用

(a) 带有灰色或红色导电纱线标记为字母的SI-TENG照片；

(b) 通过使用相应的字母点击SI-TENG点亮不同LED单元的演示；

(c) 在正常状态下通过点击SI-TENG来点亮170个LED的演示；

(d) 在拉伸状态下通过点击SI-TENG来点亮170个LED的演示；

(e) 在不同打击频率（1-5 HZ）下SI-TENG的充电能力；

(f) 在不同电容下（1–22 μF）下SI-TENG的充电能力；

(g) 通过手动敲击SI-TENG来展示为商用手表供电；

(h) SI-TENG的充电电压与充电时间的函数关系；

(i) SI-TENG的OC电压和SC电流随负载力的变化；

(j) 基于SI-TENG的压力传感器对各种载荷（5，10，20和25 N）的响应；

(k) 在正常和运动条件下的实时动脉脉搏波谱；

(l) 从(k)中的标记区域提取的单信号波形；

(m) 佩戴者说“你好”，“苹果”和“橙子时识别的声音信号。

图4基于SI-TENG的压力传感器作为智能假手、自动计步器/速度计和柔性数字键盘的应用

(a) 植入到指尖上的五个压力传感手套的照片；

(b) 对应五种不同手部动作的五个独立压力传感器的实时电压信号；

(c) 个性化智能假肢的输出接口；

(d) SI-TENG缝在袜子后跟上的照片；

(e) 展示不同运动状态（包括站立、行走和跑步）的照片；

(f) 在行走和跑步过程中两个SI-TENG（分别附在左脚和右脚）的实时电压信号；

(g) 自动计步器和速度计软件输出接口；

(h) 带有九个数字按钮柔性数字键盘的照片；

(i) 柔性数字键盘贴合在人前臂上的照片；

(j) 用于自供电数字键盘的数字显示接口。

图5基于SI-TENG的压力传感器作为可伸缩触觉传感阵列的应用

(a) 基于SI-TENG的触觉传感阵列的示意图；

(b) 基于SI-TENG的触觉传感阵列的照片；

(c) 基于SI-TENG的触觉传感阵列的拉伸性能的显示照片；

(d) 基于SI-TENG的触觉阵列分为8×8个感应像素的示意图；

(e) 每个像素的实时电压信号和手指触摸输出界面中显示的位置；

(f) 顶部有矩形和十字形块的基于SI-TENG的触觉传感阵列的照片以及它们在传感阵列中的相应平面压力强度分布。

【小结】

本文中报道了一种可拉伸的摩擦纳米发电机的简单制备方法，其可以作为多功能电子皮肤使用并实现了能量富集和多功能压力传感。该电子皮肤具有透明性和拉伸性、高敏感性以及优异的机械稳定性并可以用作个性化智能假肢、实时计步器、以及自供电的柔性数字键盘等。此外，该类摩擦纳米发电机有望在人形机器人、生物医学假肢、生理监测、自供电运动传感和人机接口设备等领域进一步得到应用。

文献链接：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)

【团队介绍】

在佐治亚理工学院王中林院士带领下，董凯博士、吴秩译博士等研究员开发设计了一种具有机械能采集和多功能信号传感功能的电子皮肤。该电子皮肤是基于摩擦纳米发电效应，将三束扭转的导电尼龙纱线组成的平面纱线导电网络埋入到硅胶弹性体中，实现机械能采集和多功能压力信号传感。

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