中科院合力 Nano Energy报道: 用于自供能触觉传感的透明和可拉伸摩擦电纳米发电机

【文章亮点】

1、基于离子凝胶的透明、可拉伸摩擦纳米发电机（TENG）实现柔性触觉传感。

2、自供能TENG传感器在不同的拉伸比下可实现稳定的压力传感。

3、传感器可以检测到不同的人体和生理活动。

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【背景介绍】

如今，随着柔性材料的飞速发展，可穿戴电子产品已经在晶体管、应变传感器和储能装置等领域出现。对于能适应人体皮肤且具有柔性、可拉伸性和透明性特点的应变传感器也寄予厚望。大多数应变传感器的柔性和可拉伸性来自其自身的活性材料，电阻与其尺寸呈线性关系。目前，已经有几种策略以实现活性材料的可拉伸性。例如将碳纳米管（CNT）、金属纳米纤维/纳米线或炭黑作为导电填料掺杂到弹性体中以形成柔性电极。然而，由于导电填料的固有颜色和无弹性，降低了柔性传感器的透明性和拉伸性。相比而言，掺杂高浓度离子的透明弹性导电水凝胶可以获得更好的透明性和拉伸性，但是脱水的水凝胶会变得易碎且不透明，失去其原始透明度和拉伸性。

尽管在可拉伸性和透明性方面取得了重大进展，但是现有的可穿戴传感器仍需要外部电源才能正常工作。基于摩擦电纳米发电机（TENG）的传感器为自供能传感提供一种很有前景的解决方案。基于摩擦带电和位移电流的耦合效应，TENG有效地将环境机械能转换为电能。摩擦电器件的优点包括柔性、质轻以及材料选择广，这些对于可穿戴电子设备来说是非常理想的。TENG的工作模式有以下四种：垂直接触分离式、单电极式、独立摩擦层式、接触滑动式。目前基于水凝胶的可拉伸和透明的TENG都具有单电极结构，限制了它们的应用。此外，TENG可拉伸电极是在电解质水溶液中形成的导电水凝胶，水凝胶的脱水不可避免，降低了离子电导率和机械弹性。

【成果简介】

最近，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李琳琳团队和王中林院士团队与中国科学院理化技术研究所刘洪亮团队（共同通讯作者）合作，报道了一种完全透明、高度可拉伸和自供电的接触分离摩擦纳米发电机（TENG）作为触觉传感器。TENG由透明、可拉伸、导电的双网状离子凝胶作为电极和一层摩擦层以及另一层带图案的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 摩擦层组成。当检测到0.1~1 N范围内的冲击力时，传感器可达到最大灵敏度1.76 V·N^-1。同时，传感器具有良好的拉伸性，在不同拉伸比下摩擦电信号与脉冲压力保持良好的线性关系。此外，由于离子液体（ILs）不挥发，结合离子凝胶的高离子电导率保证了传感器的稳定性能。这种结合自供能TENG结构和高拉伸性、透明性和导电性的离子凝胶的传感器在可穿戴和柔性电子设备中具有巨大的应用潜力。研究成果以题为“Transparent and Stretchable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Tactile Sensing”发布在国际著名期刊Nano Energy上。

中科院北京纳米能源所赵更锐博士和中科院理化所硕士生张亚文是本论文的并列第一作者。

【图文解析】

图一、透明和可拉伸TENG型触觉传感器的结构
（a）传感器的分层结构；

（b）具有突出三角形条纹的图案化PDMS膜的SEM图像；

（c）离子凝胶网络的分子结构；

（d）基于TENG的传感器的应力-应变曲线；

（e）原始（左）的TENG传感器和断开前的极限长度（右）的照片。

图二、基于离子凝胶的TENG传感器的透明度和导电性
（a）基于离子凝胶的传感器、PDMS膜、离子凝胶膜和图案化PDMS膜在可见光范围内的透光率；

（b）未拉伸的离子凝胶膜的平均电导率；

（c, d）在拉伸前后，由LED的亮度表示的离子凝胶膜的电导率没有明显改变 [(c)：拉伸前；(d)：拉伸后]；插图为测试电路。

图三、基于离子凝胶的TENG传感器的工作原理和输出特性
（a）TENG的一个完整工作循环；

（b）在1 Hz、0.1 N的脉冲力下引起的未拉伸传感器的开路电压；

（c）在1 Hz、0.1 N的脉冲力下引起的未拉伸传感器的短路电流；

（d）在1 Hz的脉冲力下的未拉伸传感器的摩擦电V_oc；

（e）在2 Hz的脉冲力下的未拉伸传感器的摩擦电V_oc。

图四、TENG传感器的摩擦电（V_oc）输出
（a-c）在1 Hz不同的脉冲冲击力下，10％、50％和80％应变传感器的V_oc；

（d）在不同的拉伸比下，1 Hz下不同压力时传感器的V_oc；

（e）在1 Hz、0.4 N的冲击力下，50%应变传感器6000次循环的V_oc。

图五、TENG传感器可以检测多种类型的人体活动
（a）拉伸产生的传感器的摩擦电信号；

（b）扭曲产生的传感器的摩擦电信号；

（c）触摸产生的传感器的摩擦电信号；

（d）当传感器连接在手指关节上时，手指弯曲产生的传感器的摩擦电信号；

（e）气流吹到传感器上时产生传感器的摩擦电信号；

（f）人体脉搏产生的传感器的摩擦电信号。

【小结】

综上所述，作者制备了一种透明且可拉伸的TENG型触觉传感器。传感器的TENG结构由作为柔性电极和一个摩擦层的的双网状离子凝胶以及具有二维条纹结构的PDMS层的摩擦电层组成。其中，图案化PDMS层与高导电离子凝胶层之间的接触分离运动是由外部脉冲力所引起的，可以输出稳定的摩擦电压或电流用于感测。该传感器具有高透明度、良好的拉伸性、对不同拉伸比在0.1~1 N范围内都具有良好的压力敏感性。最后，作者通过检测不同压力大小的触摸、手指弯曲、人类呼吸和脉搏跳动来展示这种自供电传感器的生物医学应用。这种具有良好透明度、可拉伸性和灵敏度的自供电皮肤传感器未来在可穿戴传感电子设备的中将显示出巨大潜力。

文献链接：Transparent and Stretchable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Tactile Sensing（Nano Energy,2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.02.054）

通讯作者简介：

王中林，中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。现为佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长兼首席科学家。已在国际一流刊物上发表了超过1400篇期刊论文（其中40余篇发表在 Science、Nature及子刊上），7本科学专著，超过200项专利。他已被邀请做过900多次学术讲演和大会特邀报告。2015年汤森路透引文桂冠奖获得者，2018年第十一届埃尼“前沿能源奖”获得者，位列Google Scholar（谷歌学术）2018年公布的全球纳米技术专家学术引用与影响力排行榜第一名。王中林院士的研究具有原创性，前瞻性和引领性。他在电子显微学和纳米科学方面有多项国际重要影响力的原创性和开创性研究成果，其中包括反射电子能量损失谱，等离子体激发，电子的非弹性散射理论，透射显微镜中纳米材料的力学和电学性能的原位测量技术，纳米氧化锌的生长和控制，纳米发电机，压电电子学，压电光电子学，纳米传感等。

网页链接：http://www.nanoscience.gatech.edu/

李琳琳，中科院北京纳米能源与系统研究所研究员/纳米能源与生物传感课题组负责人。2002年获安徽大学学士学位，2005年获北京师范大学硕士学位，2008年获中科院理化所博士学位。曾获2014年中科院卢嘉锡青年人才奖，2015年中科院青年促进会会员。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等10余项项目。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等学术期刊发表第一/通讯作者的论文40余篇，论文共被引用5000余次，H-index为32，获授权发明专利7项，参编英文专著3章。

网页链接：http://www.escience.cn/people/linlinnano/

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