王中林院士《AFM》：可拉伸、耐洗、超薄摩擦納米發電機，實現高靈敏、自供電觸覺傳感器，助力電子皮膚的發展

2020-10-03 高分子科學前沿

表皮電子器件是一類典型的可伸縮傳感器，需要具有類似於皮膚的柔軟性和質感等優異性能。摩擦電納米發電機（TENG）可以通過從周圍環境中收集機械能來驅動電子系統，具有自供電的傳感功能、環保和低成本低優點。現有的可拉伸TENG是由相對複雜工藝或結構製備的可拉伸電極構成，或者是將納米管、石墨烯等導電填料嵌入彈性體基底中。其中，導電填料的滲透網絡存在以下一些缺點：（1）現有方法難以獲得具有高拉伸性和優異電導率的電極；（2）需要將電極增厚以為獲得高導電性，在一定程度上影響了整個裝置的透明性、粘合性和舒適性。因此，下一代皮膚狀TENG需要一種新型的可拉伸超薄電極。目前，可拉伸的TENG在透明度、可洗性、高靈敏度和長期耐用性方面仍然面臨挑戰。

近日，中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士（通訊作者）團隊報導了一種可伸縮、耐清洗且超薄仿造皮膚的摩擦電納米發電機（SI-TENG），其可以收集人體運動能量，並作為一種高度敏感的自供電觸覺傳感器。通過優化的材料選擇和結構設計，SI-TENG有高可拉伸性（≈800％）、超薄性（≈89 µm）和輕便性（≈0.23 g）等優點，其能在不影響人體皮膚接觸的情況下與人體皮膚相適應。通過熱塑性聚氨酯（TPU）的同步靜電紡絲和銀納米線（AgNWs）的電噴塗，製造了可拉伸的複合電極，該電極由AgNWs與TPU納米纖維網絡均勻纏繞而成。在施加力為8 N和1 Hz的負載頻率時，接觸面積為2×2 cm2的SI-TENG的開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）和功率密度可以分別達到95 V、0.3 µA和6 mW m-2。通過集成信號處理電路，SI-TENG具有出色能量收集和自供電感應能力，可用於檢測人類動作的觸覺傳感器陣列。因此，SI-TENG在人機界面和安全系統領域有著廣泛的應用前景。

SI-TENG的製備與表徵

由納米複合膜組裝的單電極模式SI-TENG的基本結構：在頂層，改性的表面PDMS薄膜用作起電層；在中間層，AgNWs被均勻地分布在整個TPU納米纖維網絡中，用作可拉伸電極；在底層，商業化VHB作為結構支撐和保護層。面積為4 cm×4 cm的SI-TENG的厚度僅為89 µm、重量僅為230 mg。SI-TENG具有出色的光學透明性，可以直接看到傳感器下方的皮膚。SI-TENG與自然皮膚和曲面形成緊密、舒適和共形的附著。此外，SI-TENG在附著並多次拉出物體時表現出穩定的性能，可以進行拉伸、扭曲和彎曲等複雜的機械變形。

圖1、SI-TENG的結構設計

工作機制與輸出性能

SI-TENG的工作機理與摩擦起電和靜電感應相結合。當活動對象與介電層（PDMS薄膜）接觸時，帶電過程發生在界面，並且在兩個接觸之間產生相同數量、極性相反的電荷。對於SI-TENG的電氣輸出性能，不同厚度（25、50、100、200和300 µm）的PDMS薄膜，其Voc，Isc和Qsc的輸出性能先增加，後隨著PDMS薄膜厚度的增加而降低。其中，厚度為50 µm的PDMS薄膜使SI-TENG具有最佳的電氣輸出性能（Voc: 35 V，Qsc: 13 nC和Isc: 0.08 µA）。比較由各種粗糙表面PDMS製成SI-TENG的電氣輸出性能。其中，厚度為3 nm Ti掩模的SI-TENG具有最高輸出性能。

圖2、SI-TENG的工作機理和輸出性能

耐洗性和傳感性表徵

作者檢測了不同清洗次數（10-40 min）下的輸出電壓，評估SI-TENG的耐洗性。在整個清洗實驗過程中，輸出電壓沒有明顯的變化。當施加壓力保持恆定時，出現均勻且可重複的方波形狀的輸出電壓信號。當施加壓力達到6 KPa時，相應的電壓信號輸出也會增加，在65 V達到飽和。需注意，曲線表現出兩個不同的區域。在低壓區域（0-1.6 KPa）中，SI-TENG表現出良好的線性響應，壓力敏感度為9.973 mV Pa-1，而在高壓區域（>1.6 KPa）中，壓力敏感度為0.538 mV Pa-1。因此，SI-TENG在低壓區域（<1.6 KPa）更靈敏。

圖3、SI-TENG的穩定性和靈敏度

可拉伸性表徵

SI-TENG被橫向拉伸至200％，具有出色的機械性能。通過應力應變儀進行精確的長度控制，測試SI-TENG和複合電極的拉伸應變能力。該電極具有高拉伸性（580％）和相對穩定的電阻（在100％應變下從5到732 Ω）。在不同拉伸狀態下，接觸面積為1 cm×2 cm的SI-TENG的輸出性能隨拉伸應變從0％到150％的增加而增加。在30％拉伸應變時，連續運行10萬次後，輸出電壓沒有明顯變化，證明SI-TENG具有優異的拉伸性。

圖4、SI-TENG的可拉伸性

探究應用價值

自供電遊戲控制器由9個具有3×3陣列的傳感單元組成，包括PDMS電氣化層、TPU/AgNWs電極層、VHB絕緣層、TPU/AgNWs屏蔽層和VHB/TPU基板層。將SI-TENG與信號處理電路集成在一起，開發了一種皮膚遊戲控制器的傳感系統。遊戲控制器系統由三個主要部分組成：具有3×3感應陣列的SI-TENG、信號處理電路和基於Labview程序的計算機。手指輕輕觸摸傳感器後，不同的輸出電壓將根據機械攪拌而變化。因此，開發的自供電類皮膚遊戲控制器在自動控制、人機界面等領域具有巨大潛力。

圖5、SI-TENG作為遊戲的觸覺傳感器

總之，作者設計的可拉伸、超薄、可清洗且高度敏感的SI-TENG，實現了800％的應變、總厚度約為89 µm。此外，SI-TENG具有恆定的防水性能、高透射率和超高壓力靈敏度。因此，對於自供電傳感系統或作為下一代可穿戴電子設備的能源供應體，具有廣闊的應用前景。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005584

來源：高分子科學前沿

投稿模板：

單篇報導：上海交通大學周涵、範同祥《PNAS》：薄膜一貼，從此降溫不用電！

系統報導：加拿大最年輕的兩院院士陳忠偉團隊能源領域成果集錦

相關焦點

  • 王中林院士《AFM》:可拉伸、耐洗、超薄摩擦納米發電機,實現高靈敏...
    表皮電子器件是一類典型的可伸縮傳感器，需要具有類似於皮膚的柔軟性和質感等優異性能。摩擦電納米發電機（TENG）可以通過從周圍環境中收集機械能來驅動電子系統，具有自供電的傳感功能、環保和低成本低優點。現有的可拉伸TENG是由相對複雜工藝或結構製備的可拉伸電極構成，或者是將納米管、石墨烯等導電填料嵌入彈性體基底中。
  • 納米發電機，實現高靈敏、自供電觸覺傳感器，助力電子皮膚的發展
    摩擦電納米發電機（TENG）可以通過從周圍環境中收集機械能來驅動電子系統，具有自供電的傳感功能、環保和低成本低優點。現有的可拉伸TENG是由相對複雜工藝或結構製備的可拉伸電極構成，或者是將納米管、石墨烯等導電填料嵌入彈性體基底中。
  • 中科院北京納米所王中林院士團隊《AFM》:自供電電子皮膚
    隨著多功能可穿戴電子設備的快速興起，柔性耐用和可穿戴電源面臨著巨大的挑戰。中國科學院北京納米能源與納米系統研究所王中林院士團隊在國際期刊Adv. Funct. Mater.、耐洗且超薄的摩擦電納米發生機（SI-TENG），可用於收集人體運動能量並充當高度敏感的自供電觸覺傳感器。
  • 新型電子皮膚面世，終將終結可穿戴設備？
    電子皮膚作為一種柔性觸覺仿生傳感器已經廣泛地應用於人體生理參數檢測與機器人觸覺感知等領域，近年來是世界各國研究者廣泛關注的熱點。曾有業內人士指出，電子皮膚的出現有可能終結所有可穿戴設備。、可生物降解、抗菌且自供電的電子皮膚。
  • 新型電子皮膚，終將終結可穿戴設備？
    電子皮膚是通過電學信號的集成與反饋來模擬人體皮膚感受外界刺激（壓力、溫度、溼度）的新型電子器件。電子皮膚作為一種柔性觸覺仿生傳感器已經廣泛地應用於人體生理參數檢測與機器人觸覺感知等領域，近年來是世界各國研究者廣泛關注的熱點。曾有業內人士指出，電子皮膚的出現有可能終結所有可穿戴設備。
  • 王中林院士團隊Science子刊：透氣、生物降解、抗菌電子皮膚
    根據不同的物理傳感機制，如壓電電阻率、電容、壓電、摩擦電，電子皮膚能夠檢測和量化環境刺激的多樣性，包括溫度、溼度、壓力、振動、和觸覺技術，通過將它們轉換為實時和可視化電子脈衝。尤其值得一提的是，摩擦納米發電機(TENG)是一種新開發的能量收集技術，它可以根據接觸起電和靜電感應的耦合效應，將普遍存在的機械能轉化為珍貴的電能。
  • 中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士課題組:自供能足底...
    王中林院士在2006年首次發明了壓電納米發電機，在2012年成功研發了摩擦納米發電機。納米發電機能夠將機械能直接轉換為電能輸出，為有效收集機械能提供一個全新模式，除此之外，納米發電機還可以作為自驅動傳感器來檢測機械型號。
  • 王中林:自驅動系統中的納米發電機
    王中林是國際公認的納米科技領域領軍人物，他發明了壓電納米發電機,摩擦納米發電機，並首先發展了自驅動系統和藍色能源的原創大領域,為微納電子系統的發展，物聯網，傳感網絡，人工智慧和人類未來的能源開闢了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學等領域，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、LED技術的發展具有裡程碑意義。
  • 納米材料前沿研究成果:柔性物理或化學傳感器
    為了實現這個目的，已經發展了具有多功能的柔性電子皮膚，其中因為柔性力傳感器在智能終端的巨大應用，所以發展最快。為了實際探測，實現電子皮膚對法向壓力和切向摩擦力的實時探測和區分是非常重要的。相比當前柔性壓力傳感器或壓力-應變傳感器，實現法向和切向力探測電子皮膚的研究是非常有限的。
  • 王中林院士Nano Energy綜述:摩擦納米發電機網絡構築藍色能源夢
    2006年，王中林院士所在團隊發明了通過壓電效應收集環境中機械能的納米發電機，開闢了能源轉化和應用的新領域。在此基礎上，該研究團隊於2012年又成功研製出基於摩擦起電和靜電感應的摩擦納米發電機（TENG）。此後，各種類型的摩擦納米發電機接連被研製出來，不斷革新著人們對能量收集的傳統概念。
  • 摩擦納米發電機在自供電電子皮膚領域的最新研究進展
    華東理工張玲/李春忠教授《納米能源》：基於MXene-AgNWs-MXene-PU的TENG，用於自供能可穿戴傳感器近年來，摩擦納米發電機（TENG）作為下一代電子設備的自供能裝置受到了廣泛的關注。然而，基於目前的研究工作來看，仍無法同時實現TENG的拉伸性和透明性。
  • 王中林院士團隊 Adv. Mater. 綜述: 基於纖維/織物的壓電和摩擦...
    將先進的納米發電機技術與傳統的紡織工藝相結合促進了基於紡織的納米發電機（NGs）的出現，將進一步促進下一代可穿戴電子和多方面人工智慧系統的快速發展和廣泛應用。NGs賦予智能紡織品機械能量採集和多功能自供電傳感能力，而紡織品則為智能紡織品的發展提供了一個靈活多變的設計載體和廣泛的可穿戴應用平臺。
  • 中科院院士王中林:摩擦發電機或是未來綠色能源的新選擇
    原標題：中科院院士王中林：摩擦發電機或是未來綠色能源的新選擇　　新華網北京3月25日電（李崢巍 張舵）中國科學院外籍院士王中林24日在京表示，能源安全將是未來各國發展面臨的一個重要問題。不同於發達經濟體，中國應當將能源安全放在首要位置，應該探索有別於美國等發達國家的能源發展路線。他認為，摩擦發電技術或為這個戰略作出貢獻。
  • 摩擦就可以發電?新型納米發電機問世
    基於摩擦起電和靜電感應引發的能源革命預期比肩法拉第電磁感應發電機的巨大應用前景——王中林:《摩擦納米發電機》這是發明了摩擦發電機的院士——王中林人們的生活環境和工業生產中存在大量可以利用的機械能。納米發電機將是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後在能源與傳感方面的另一重大應用，有可能引領技術革新並深刻改變人類社會。摩擦納米發電機由王中林及其團隊於2012年首先發明，其目的是利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能。這是一種顛覆性的技術並具有史無前例的輸出性能和優點。它既用不著磁鐵也不用線圈，在製作中用到的是質輕、低密度並且價廉的高分子材料。
  • 綜述: 基於纖維/織物的壓電和摩擦納米發電機用於...
    將先進的納米發電機技術與傳統的紡織工藝相結合促進了基於紡織的納米發電機（NGs）的出現，將進一步促進下一代可穿戴電子和多方面人工智慧系統的快速發展和廣泛應用。NGs賦予智能紡織品機械能量採集和多功能自供電傳感能力，而紡織品則為智能紡織品的發展提供了一個靈活多變的設計載體和廣泛的可穿戴應用平臺。
  • 基於高性能球形摩擦納米發電機的多合一環境電源
    研究背景隨著物聯網時代的到來，傳感器等電子設備廣泛地應用在市場生活中，對電能的供應提出了新的要求。雖然電池在某些情況下可以滿足應用，但電池充電或更換會導致額外的維護成本和管理困難，特別是在野外和密閉空間等特殊應用中。因此，將環境能量就地收集並實現供電的自驅動技術成為當前一個重要的發展方向。
  • 納米發電機:摩擦也能帶來「正能量」
    在不久前召開的以「納米能源與壓電（光）電子學發展前沿」為主題的第538次香山科學會議上，記者了解到，基於納米能源與壓電電子學理論而研發出來的摩擦納米發電機，讓摩擦發電不再是幻想。世上最小的發電機這種摩擦納米發電機，其機械能轉化效率是50%—80%，可以為微小電子器件、納米機器人提供電力，使之真正實現自驅動納米能源是指基於納米技術和納米材料的能源轉換與能源存儲技術。
  • 納米發電機之父王中林獲愛因斯坦世界科學獎(附簡歷)
    2006年，王中林成功地研製出世界上最小的發電機——納米發電機，被譽為是「納米發電機之父」。他同時也是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人。該獎項評選委員會評價王中林教授在納米發電機和自供能系統領域做出了開創性的重大貢獻，認為這一領域「將對人類和我們社會的可持續發展產生巨大的利益」，「有望在不久的將來改變世界」。
  • 摩擦納米發電機的電源管理策略與電力摩擦電子學研究獲進展
    摩擦納米發電機目前可以輸出很大的功率，但受高輸出阻抗特性的制約，其對儲能器件的直接充電效率極低，也無法直接為用電器件供電，有效的電源管理成為了摩擦納米發電機推廣和實用化的難點與技術瓶頸。　　近年來，中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員張弛和王中林領導的研究團隊一直致力於摩擦納米發電機電源管理技術的研究，並取得了突破性進展。
  • 校友風採丨王中林院士獲瑞典烏普薩拉大學攝爾修斯-林耐講座獎
    當地時間2月6日上午，瑞典烏普薩拉大學（Uppsala University）舉辦2020年度攝氏-林耐講座(Celsius-Linnaeus Lecturers laureate)獎頒獎典禮，將本年度的攝爾修斯講座獎授予中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士，以表彰他在納米能源與納米自驅動系統領域做出的原創性的重大成就