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可穿戴设备黑科技!“私人定制”摩擦纳米发电机

已有 840 次阅读 2019-5-19 15:20 |系统分类:论文交流| 可拉伸性, 可穿戴, 摩擦纳米发电机, 智能手套, 机械运动

Spiral Steel Wire Based Fiber-shaped Stretchable and Tailorable Triboelectric Nanogenerator for Wearable Power Source and Active Gesture Sensor

Lingjie Xie, Xiaoping Chen, Zhen Wen*, Yanqin Yang, Jihong Shi, Chen Chen, Mingfa Peng, Yina Liu, Xuhui Sun*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 39

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0271-3


本文亮点    
1  由于钢丝电极的坚固性、连续导电性和螺旋的几何结构设计,FST-TENG(Fiber-shaped stretchable and Tailorable Triboelectric nanogenerator,简写为FST-TENG)具有高稳定性和可拉伸性,甚至可以定制成所需结构。

2  通过将FST-TENG编织成为穿戴在人体上的衣物或佩戴手腕的手环,可以收集人体机械运动的能量。

3   FST-TENG也可以应用在智能手套上,以监控手势的动作,具体表现为可识别单个手指的弯曲、不同的弯曲角度和弯曲手指的数量。

内容简介    

由于不同功能层的杨氏模量不匹配,连续变形总是导致柔性摩擦纳米发电机的性能下降。

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苏州大学孙旭辉课题组巧妙选择具有几何结构设计的钢丝作为电极和硅橡胶作为摩擦起电层,制造了一种纤维状的可拉伸和可定制的摩擦纳米发电机(FST-TENG)。

由于钢丝电极的坚固性、连续导电性,FST-TENG具有高稳定性和可拉伸性,甚至可以根据用户需求定制成所需结构。

通过将几个FST-TENG编织成佩戴在人体上的织物或佩戴在手腕上的手环,它能够收集人体运动能量,然后驱动可穿戴电子设备。

最后,它还可以应用在智能手套上,以监控手势,通过分析电压信号可以识别每个单指的弯曲,不同的弯曲角度和弯曲的手指数量。

图文导读     

FST-TENG的制备及其力学性能

基于螺旋钢线的纤维状柔性可拉伸TENG选用高杨氏模量的钢线,通过几何结构设计成螺旋状电极,与弹性基体——有机硅橡胶混合,解决摩擦材料与电极材料杨氏模量不匹配而造成输出不稳定的问题。

制备出的纤维状的柔性可拉伸TENG (FST-TENG)可实现在不影响性能的情况下弯曲、成结,同时具有可剪裁性。

图1 螺旋形钢丝电极可伸缩可定制摩擦电动纳米发电机(FST-TENG)的原理图和力学性能。(a) FST-TENG的制造工艺;(b)横截面的光学显微镜图像;(c) FST-TENG直径; FST-TENG在不同状态下,如(d)弯曲、(e)打结和(f)可裁剪。

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FST- TENG的性能及用于收集人体运动机械能

人体在日常生活中,除了行走踩踏地面可产生机械能,同时存在关节或者衣物发生拉伸、扭转、敲击、摩擦而产生不规则的机械能。FST-TENG因其纤维状且细小的几何构型,可编织成织物或者手环,收集人体不规则活动的机械能,作为可穿戴电源。

如图4所示,12根FST-TENG编织出来的织物可点亮15个1.8-2.0 V 的LED小灯泡。其开路电压和转移电荷量分别达到121.8 V和 45.8 nC,短路电流随着外力作用频率的增加,从0.87 μA增加到3.23 μA。

该织物在频率为2.5 Hz的拍击下,只需68 s可将一个商用电容器充到2 V,来驱动电子手表工作。

图4基于FST-TENG的织物作为可穿戴电源。(a)该织物可通过手动轻拍点亮15个绿色led灯。(b)在0.5至2.5 Hz的不同运动频率下的电输出。(c) FST-TENG织物在不同运动频率收集机械能给电容器充电的曲线。

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FST-TENG作为主动式手势传感器应用于手势判别

FST-TENG对低频运动具有较高的灵敏度和快速响应/恢复时间,可作为主动生理运动和人机界面传感器。

当将其构造成智能手套时,它可以应用在手势感知中,实时电压可以反映出测试者的不同手部动作,包括手指的弯曲程度,不同手指以及一些数字手势的识别。

图5 FST-TENGs编织在智能手套上作为主动手势传感器。(a)智能手套照片及操作方式演示;(b)不同手指弯曲程度下的照片及相应Voc;(c)五个手指依次弯曲的信号;(d)代表“1”,“2”,“3”,“4”,“5”手势的电压信号。

作者简介

孙旭辉

(本文通讯作者)

特聘教授,博士生导师

苏州大学功能纳米与软物质研究院 副院长

研究团队目前主要致力于纳米材料和纳米功能器件及其在电子信息、新能源和化学传感器方面的研究,以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用研究。

现已在SCI收录国际期刊上发表论文180余篇,他引4000余次,H-index 38。撰写英文书(章节)5章。申请中国、美国专利50余项。

担任多个国际期刊和会议的审稿人和评委,国际杂志IEEE Transaction on Nanotechnology副主编,国际材料学会、国际电子电工学会、国际X射线吸收学会会员,以及国家同步辐射实验室用户委员会委员、上海光源用户委员会委员。

E-mail: xhsun@suda.edu.cn

文震

(本文通讯作者)

副研究员,硕士生导师

苏州大学功能纳米与软物质研究院

主要研究领域:① 柔性摩擦纳米发电机关键材料的制备及性能研究;② 基于摩擦纳米发电机的自供电能源系统研究;③ 基于摩擦纳米发电机的自驱动传感技术研究;④ 摩擦纳米发电机的高电压输出应用研究。

现已在SCI收录国际期刊上发表论文60余篇,他引超过3100次,H-index 34,并已申请中国、美国发明专利20余项。目前担任国际杂志Electronics Letters副主编。

E-mail: wenzhen2011@suda.edu.cn

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