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. (IF 16.836)上發表題為「Stretchable, Washable, and Ultrathin Triboelectric Nanogenerators as Skin‐Like Highly Sensitive Self-Powered Haptic Sensors」的研究論文。

本文報導了一種受皮膚啟發的可拉伸、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。

通過優化的材料選擇和結構設計，SI-TENG表現出優異的性能，例如可拉伸性（≈800％），超薄（≈89µm）和輕巧（≈0.23g），它們可以貼在人體上皮膚而不會干擾其接觸。

通過TPU的同步電紡絲和AgNW的電噴塗，製造了可拉伸的複合電極，該電極由銀納米線（AgNW）與熱塑性聚氨酯（TPU）納米纖維網絡均勻纏繞而成。根據摩擦帶電效應，接觸面積為2×2 cm2，施加力為8 N的SI-TENG的開路電壓，短路電流和功率密度可以達到95V，0.3μA和6 mW m-2。

通過集成信號處理電路，具有出色能量收集和自供電感應功能的SI-TENG，被成功地組裝成觸覺傳感器陣列用於檢測人體動作。可以預見SI-TENG將在人機界面和安全系統領域具有廣泛的應用前景。

圖1.單電極超薄可拉伸SI-TENG的結構設計。a）SI-TENG的詳細結構示意圖。b）PDMS表面的SEM圖像。c）TPU / AgNWs層的SEM圖像。d）整個裝置的橫截面SEM圖像。e）高度透明的SI-TENG的光學圖像。f，g）貼在皮膚上的SI-TENG的光學圖像。h–j）SI-TENG扭曲和拉伸的光學圖像。

圖2.單電極模式下SI-TENG的工作機制和輸出性能。a）SI-TENG的工作原理示意圖。b）COMSOL進行的電位模擬以闡明工作原理。c–e）SI-TENG的帶電層厚度不同時的開路電壓，短路轉移的電荷和短路電流。f–h）開路電壓，短路轉移的電荷和SI-TENG的帶電層不同微觀結構表面的短路電流。

圖3. SI-TENG的電信號輸出、穩定性和靈敏度。a，b）接觸分離1000個循環的表面變化的AFM圖像。c）輸出電流和峰值功率取決於負載電阻。d）在各種應用頻率（1-4 Hz）下SI-TENG的開路電壓。e）在各種電容容量下SI-TENG的充電曲線。f）在不同清洗時間下SI-TENG的輸出電壓。g）SI-TENG在不同壓力下的輸出電壓。h）SI-TENG的輸出電壓作為施加壓力的函數。

圖4.拉伸狀態下SI-TENG的電氣和機械特性。a）複合電極和SI-TENG的應變應力。b）SI-TENG的應變。c）複合電極在不同拉伸應變下的電阻變化。d–f）SI-TENG在不同拉伸應變下的輸出性能。g–i）SI-TENG在長時間拉伸載荷循環下的輸出電壓。

圖5.演示開發的SI-TENG作為娛樂遊戲的觸覺傳感器。a）3×3 SI-TENG陣列的方案圖。b）3×3 SI-TENG陣列的結構。c）圖片顯示SI-TENG附著在手上。d）傳感系統的電路圖。e）演示表明SI-TENG數組控制遊戲角色移動。f）屏幕截圖顯示了實時輸出電壓。g）3×3 SI-TENG陣列的電壓輸出信號。

文獻連結：https://doi.org/10.1002/adfm.202005584.

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