王中林院士《ACS Nano》隱蔽水生微型機器人的納米發電機

【科研摘要】

由於對水生環境監測，檢查和密閉空間探索的需求，水生微型機器人引起了極大的研究興趣。當前的致動方法嚴重依賴於由大振幅和高頻源提供動力的機械運動，這限制了應用的便攜性和隱蔽性。最近，中國科學院北京納米能量與納米系統研究所王中林院士團隊提出了一種用於水生微型機器人的摩擦電納米發電機（TENG）-啟用電介質上電潤溼（EWOD）致動器（TENG-EWA）。圓盤TENG的轉移摩擦電荷可替代地改變EWOD執行器的表面能，從而產生毛細波傳播。毛細管波的反作用力使微型機器人在水面上啟動。對TENG引起的毛細血管波的特性進行了實驗分析和理論建模。以最大運動速度1 cm/s向前驅動光學透明的微型機器人（重量為0.07 g，體長為1 cm）。展示了多種運動功能：在矽油/去離子水界面處，海水中機器人淨重的3倍負載。此外，微型機器人的運動通過風力驅動的TENG進行了演示，並且在紅外攝像頭和分貝儀的作用下具有良好的隱蔽性能。擬議的水生TENG-Bot不僅顯示了將環境能量轉換為微型機器人的驅動力的潛力，而且還揭示了光學，聲波和紅外隱藏的優勢。

【圖文解析】

水生TENG-BOT和驅動機制

概念圖如圖1所示。水生TENG-Bot由一個獨立式模式盤TENG，一個浮動部件和一個EWOD執行器（EWA）組成。圓盤TENG由丙烯酸基底，一對圖案化的銅電極，商用FEP（氟化乙烯和丙烯）膜和丙烯酸覆蓋物形成。將電極熱沉積到丙烯酸基材上，然後將商用FEP膜粘貼到丙烯酸蓋上。在操作過程中，丙烯酸基板被固定，電極作為定子工作。丙烯酸罩蓋與步進電動機的杆連接，並用作轉子。圖1的插圖中顯示了已組裝的圓盤TENG。EWA（寬度2釐米，高度0.8釐米）粘貼在浮動部件的船尾。圖1的插圖顯示了已組裝的水生TENG-Bot的俯視圖和側視圖。EWA由旋塗和固化的Teflon AF溶液，溼蝕刻的ITO（氧化銦錫）塗層的PET板組成，以及連接線。透明的PET基材和特氟龍塗層確保光學遮蓋性能。ITO電極的溼蝕刻是為了防止與邊緣的水短路，固化的特氟隆薄膜可確保執行器表面具有疏水性。圓盤TENG的正銅電極與EWA的致動電極（ITO）相連，圓盤TENG的負銅電極插入水中作為接地電極。在操作過程中，FEP膜與丙烯酸覆蓋物一起旋轉，或者與正/負銅電極接觸/分離。感應的電荷轉移會定期更改執行器的表面能，並產生用於執行操作的毛細波。

圖1.水生TENG-Bot的概念。水生TENG-Bot由一個圓盤TENG和一個EWA組成。在運行期間，圓盤TENG的旋轉交替地將電荷轉移到執行器和接地電極，並產生用於執行操作的毛細波。

TENG-CWA的表現

改變影響致動器性能的參數以追求最佳的致動性能。首先評估鐵氟龍AF層厚度的影響。在該測試中，Voc，fTENG和致動器電極寬度w分別設置為520 V，2 Hz和2 cm。將10％的Teflon AF溶液以1000、3000、5000和7000 rpm的轉速旋塗，固化後的厚度為3.8、2.2、1.6和1μm。如圖3a所示，通過等式1獲得藍色曲線，並使用後處理軟體ImageJ通過高速相機捕獲的圖像測量點。可以看出，改進的接觸角隨著特氟隆厚度的增加而增加。如圖3b所示，隨著致動器電極寬度的增加，修改的接觸角增加。這是因為當盤TENG輸出固定時，傳遞到致動器電極的摩擦電荷總量將是相同的。

圖3.（a）鐵氟龍層厚度對改進的接觸角的影響。（b）執行器電極寬度對修改後的接觸角的影響。（c）修正的接觸角與平均波幅之間的關係。（d）驅動力與平均波幅之間的關係。（e，f）Voc和fTENG對驅動力的影響。

水生TENG-BOT的運動

作者介紹了水中的TENG-Bot在去離子水中的運動。Voc和fTENG會發生變化，以顯示它們對運動速度的影響。圖4a顯示了裝滿去離子水的容器中單個微型機器人（重量為0.07 g）的運動。致動電極通過25μm鎳線連接到TENG，以減小應變。通過打開光碟TENG，產生520 V和20 Hz的輸出信號，並且以1 cm/s的最大運動速度向前驅動裸機。Voc對單個微型機器人運動的影響如圖4d所示（fTENG保持為20 Hz）。可以看出，當Voc為〜130 V且速度為0.2 cm/s時，可以啟動單個水生TENG-Bot。當Voc達到520 V時，運動速度達到飽和，這一結果與驅動力的趨勢一致，如圖3e所示。進一步將520 V和20 Hz TENG輸出信號用於三重機器人的運動。如圖4c所示，三個微型機器人以平均速度〜0.3 cm/s移動。Voc對三重機器人運動的影響如圖4d所示。可以看出，三重機器人的運動速度遠低於單個機器人。

圖4.去離子水中水生TENG-Bot的運動。（a）單個機器人在去離子水中的最大運動速度為1 cm/s。（b）在去離子水中以最大負載（裸機的三倍）移動微型機器人。（c）三缸機器人在去離子水中的運動。（d）TENG的Voc對運動速度的影響。（e）fTENG和負載重量對運動速度的影響。

如圖5a所示，在海水中還演示了所呈現的水生TENG-Bot的運動功能。TENG的輸出保持為520 V和20 Hz。海水是從中國大連黑石礁公園（121.565677E，38.875297N）的海岸收集的。為了量化不同離子的影響，進一步測試了水生TENG-Bot在鹽水中的運動性能。如圖5c所示，添加三種類型的鹽（包括NaCl，MgCl2和KCl），其濃度為0-1 mol/L會對微型機器人的運動產生不利影響。當將1 mol/L NaCl添加到去離子水中時，運動速度下降到約0.1 cm/s。在1 mol/L KCl和MgCl2溶液中，水生微型機器人以0.8和0.9 cm/s的速度運動。鹽類型引起的差異可能歸因於離子的電負性以及存在離子時的接觸角變化。

圖5.在不同的工作環境中水生TENG-Bot的運動。（a）以0.21 cm/s的速度在海水中運動（從中國大連市黑石腳公園121.565677 E，38.875297 N收集）。（b）微型機器人在矽油/去離子水界面的移動速度為0.4 cm/s。（c）離子類型和濃度對運動速度的影響。（d）在紅外攝像機和分貝計下的運動。紅色虛線正方形表示在噪音測試下微型機器人的位置，而黃色虛線正方形表示在紅外攝像機測試下微型機器人的初始和最終位置。

風-TENG驅動的水生TENG-Bot及其應用

在此部分中，將組裝風TENG以收集環境風能，以驅動水生TENG-Bot（圖6a）。wind-TENG設計有兩對電極，以在低風速條件下增加輸出信號的頻率。當葉片上吹有0.25 m/s的風時，TENG可以產生頻率為4.2 Hz的約500 V峰峰值電壓信號（圖6b）。水生TENG-Bot以0.29 cm/s的速度逆風向前驅動（圖6c）。

圖6. Wind-TENG驅動的微型機器人及其在油滴收集中的應用。（a）wind-TENG裝置由風輪和帶有兩對電極的TENG組成。（b）風輪由鼓風機驅動，風速為0.25 m/s，並以4.2 Hz的頻率產生500 V的Voc。（c）將水生TENG-Bot以0.29 cm/s的速度逆風啟動。（d）水生TENG-Bot配備有疏水但親油的海綿，並證明在水表面上收集了墨汁染色的油滴。

參考文獻：

doi.org/10.1021/acsnano.0c05901

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