可穿戴的摩擦纳米发电机项目推广「接触分离式摩擦纳米发电机」

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转自微信公众号：柔性电子服务平台

作者：Lynn

近十年来，先进材料/电子与制造业的协同发展，推动了电子工业的进步。可穿戴的和多功能的便携电子产品对公众的吸引力越来越大。实用的便携式电子产品需要小的电子元器件以及与手表、眼镜、鞋子、手镯等布质面料和配件的集成能力，或者在人体内植入进行健康监测和临床治疗。然而，目前大多数实用的便携式电子产品需要电源来提供电力功能。这些电源的周期性更换往往会给患者带来环境问题、用户体验差、经济负担重、身体疼痛等问题。因此，实现便携电子产品的自供电运行，为日常生活和健康监管增添便利至关重要。2012年，Wang等人提出将摩擦电纳米发电机(triboelectric nanogenerator, TENG)作为一种能量收集技术。TENGs的基本工作机理包括机械能向电能转化过程中的摩擦电气化与静电感应的耦合。TENG具有成本低、结构多样、输出稳定、能量转换效率高、形状适应能力强、生态友好等优点。TENGs可从水波、振动、雨滴、风等环境中获取机械能。其独特的工作模式也使TENGs在运动和生理状态下获取生物力学能量，包括身体运动、呼吸、和心跳。TENGs转化的电能可在组织工程领域促进间充质干细胞的神经分化，促进成骨细胞的增殖和分化。

摩擦电效应在日常生活中经常被认为是恼人的甚至是危险的，因为它可能会引起点火、吸尘和对电子设备的损坏。相比之下，TENG从环境中获得的能量依赖于摩擦电和静电感应的耦合效应。根据构型结构和驱动方式，提出了四种TENGs工作模式，以实现对不同形式机械能的采集，包括垂直接触分离模式、侧移模式、单电极模式、和独立式摩擦电离层模式。

图1 摩擦电纳米发电机的几种工作模式

可穿戴电子设备可以直接佩戴在身体上，也可以集成到用户的服装及其配件中。它们不仅作为硬件设备存在，而且依靠软件支持和数据交互来实现特定的功能。近年来，TENGs作为不同身体位置的能源电源和传感器，已经成为一种可穿戴智能设备。根据可穿戴TENGs实现特定功能的独立程度，可穿戴TENGs可分为两类:一是直接作为独立的工作单元可穿戴TENGs；二是间接与布匹、鞋履等辅料配套使用。

直接可穿戴的TENGs

1、作为传感器

作为传感器，如自供电摩擦电听觉传感器(TAS)可以安装在耳朵上，用于社交机器人助听器（图2a），也可以制备成自供电仿生膜传感器(BMS)（图2b），还可以作为一种自供电的脉搏波传感器来揭示心血管系统的状况。另外，作为麦克风安装在喉部，不需要外部电源来接收和恢复声音。BMS具有醒目、可穿戴、小巧、低成本、自供电等特点，在可穿戴医疗和生物认证领域具有广阔的应用前景。作为自供电脉冲传感器(SUPS)戴在手腕上（图2c），SUPS发出的桡动脉脉搏电信号可以反映冠心病、房间隔缺损、房颤等生理信息。该系统已成功应用于心血管疾病的诊断和舒张功能的抗舒张。此外，SUPS能够与蓝牙技术集成，实现了基于脉冲信号的心血管疾病无线检测。未来，这种可穿戴的基于TENG的SUPS可以作为一种可穿戴的自供电传感器，用于心血管疾病的有效诊断。TENGs作为主动传感器监测手指关节的屈伸度、速度和方向(图2d)。此外有人提出了一种具有滑模的可拉伸橡胶TENG，它可以用于检测胃部情况(图2e)。

图2 可穿戴TENGs传感器在人体不同位置的应用

2、作为能源

图3a是一种基于可穿戴TENG的具有垂直接触分离模式和超级电容的可拉伸自充电电力系统(SSCPS)。可穿戴TENG可将多种运动转化为电能，储存在超级电容器中。SSCPS可以有效地从人体运动中获取生物力学能量，为可穿戴电子设备提供动力。图3b是以电鳗皮肤为灵感的摩擦电纳米发电机，该发电机具有耐久性和可拉伸性的优点。本装置为单电极结构，当皮肤接触摩擦电层时发生电荷转移，可以驱动商业智能手表。图3c是一种基于可穿戴TENG的具有相同工作模式和超级电容的一体式自适应充电系统。该系统能够收集生物力学能量，为电动手表提供动力。

图3 TENG作为能源系统用于可穿戴电子器件

间接可穿戴的TENGs

1、作为传感器

间接穿戴式TENG大多采用垂直接触分离方式。图4a是一种基于高灵敏度TENG的眼球运动触发的机械感知通信系统。获取眨眼信息，眨眼越快，得到的电信号越强，可用于智能家居控制系统。当其与无线收发模块相结合，还可实现一个免提打字系统(即，眨眼打字)。除智能控制外，间接可穿戴的TENGs还可与鞋垫和医用口罩集成，作为主动传感器实时监测人体步态和呼吸模式。图4b是一种基于TENG的智能鞋垫，用于实时监测人类步态。通过分析TENGs的信号差异，可以准确监控TENGs的跳、步、走、跑等步态模式。因此，该设备也可作为老年人或患者在健康监测领域的下拉报警系统。图4c是一种基于传统医用口罩内置TENGs传感器的自供电实时呼吸传感器。由人呼吸驱动的TENGs电信号可用于实时监测人的呼吸模式，来记录慢、快、浅、深四种不同的呼吸模式。在平静放松的情况下，低频呼吸较慢。与慢频率相比，快频率呼吸更快。这在标准肺功能测试的基础上，有效地反映了人类呼吸模式。

图4 非直接可穿戴TENG传感器的应用

2、作为能源

图5a是TENGs与衣服结合，实现无外部电源器件的发光二极管(LEDs)的自供电操作。图5b是一种可拉伸的可穿戴TENGs 2D面料，可用于智能服装的应用。图5c是一种采用全固态柔性纱线超级电容器集成的TENGs布，用于自充电电力纺织。将TENGs与鞋垫结合，开发一种可穿戴的多层叠锯齿结构的消费类电子产品自供电鞋垫(图5d)。这个TENG装置被完全包装在鞋垫中，用于从人类行走中获取能量。在人类行走的过程中，所产生的电能可以为商业LED灯泡供电。另外，当一个人穿着鞋垫走路时，鞋垫可以作为手机充电的电源。自动充电系统由鞋垫、手机口袋和插头作为连接线组成。图5e是一种基于可穿戴TENG的通用自充电系统。多层接触模式TENGs体积小、重量轻，可有效获取行走、跑步等生物力学能量。图5f将穿戴式TENG与电磁发生器(EMG)相结合的一种应急报警的自供电头盔，可为照明和定位提供可持续的能源，为矿山经营、勘探和工程应用创造了巨大的潜力。

图5 非直接可穿戴TENGs集成在织物上的应用

当前对可穿戴式TENGs的一系列研究证实了可穿戴式TENGs作为能量收割机将生物力学能量转化为电能。经过几年的发展，可穿戴TENG的电输出性能日益增强，电压从750 mV到 700 V，电流从65到 600μA。表1是根据它们的用途和组成成分，对TENGs进行了详细的总结。直接穿戴式TENGs通常采用垂直接触分离、独立摩擦电镀层和单电极工作模式。间接耐磨性TENGs多采用垂直接触分离。根据具体要求，可穿戴TENGs的尺寸可小至0.6 cm × 0.4 cm，大至14.0 cm × 14.0 cm。摩擦材料种类繁多，从金属到合成/天然聚合物和碳材料。穿戴式TENG的应用场景包括医疗监控、智能电子、通信系统等。

但是，可穿戴TENGs作为便携式电子产品仍将面临巨大的挑战如下:1)高效储能:穿戴式TENGs虽然输出电压较高，但仍不足以满足便携式电子产品的实时能耗。因此，可穿戴TENGs的输出性能优化以及系统的功率管理是需要进一步研究的；2)微型化与集成化:寻找一些方法来保持TENG在最小化后的良好输出性能是非常重要的。这有赖于新材料科学和先进制造技术的发展。此外，解决多功能机组的小型化和集成化也是未来的发展趋势之一；3)寿命:可穿戴TENG仍然受到寿命的挑战，包括稳定性和耐久性，这是由于用于制造这些设备的材料本身的局限，如金属有机聚合物。为了解决这些问题，需要进一步研究提高材料的性能和封装工艺。此外，还将面临抗干扰和环境适应性方面的挑战。可穿戴TENG可以作为主动传感器直接或间接穿戴在人体上。步行、跑步、跳跃等运动模式都可能产生干扰信号，如何从干扰目标信号中捕获目标信号，以及如何解决干扰信号对目标信号的影响是一个难题；可穿戴TENG的输出受到湿度、寒冷、高温等硬环境的严重影响。因此，开发耐磨性强的TENG材料和封装方法迫在眉睫。

参考文献：

Zhuo Liu, Hu Li, Bojing Shi, Yubo Fan, Zhong Lin Wang, Zhou Li. Wearable and Implantable Triboelectric Nanogenerators. Adv. Funct. Mater. 2019. DOI:10.1002/adfm.201808820

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