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佐治亚理工学院王中林Adv. Funct. Mater.:可拉伸、可洗的超薄仿皮肤式摩擦纳米发电机,作为高灵敏度自供电触觉传感器
2020/10/9 9:32:12 易丝帮

DOI: 10.1002/adfm.202005584

随着多功能可穿戴电子设备的兴起,柔性、可持续可穿戴电源面临着巨大的挑战。在此,研究者报道了一种可拉伸、可洗且超薄的仿皮肤摩擦电纳米发电机(SI-TENG),用于收集人体运动能量并充当一种高灵敏度的自供电触觉传感器。通过优化材料选择和结构设计,SI-TENG具有可拉伸性(≈800%)、超薄(≈89µm)和轻巧(≈0.23g)的优点,可共形附着在人体皮肤上且不干扰其接触。通过TPU的同步静电纺丝和AgNWs的电喷涂,制造了可拉伸的复合电极,该电极由银纳米线(AgNWs)与热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维网络均匀缠绕而成。基于摩擦起电效应,在接触面积为2×2 cm2,施加力为8N时,SI-TENG的开路电压、短路电流和功率密度分别可达95V、0.3µA和6 mW m-2。通过集成信号处理电路,证明了具有出色能量收集和自供电感应功能的SI-TENG是一种检测人类动作的触觉传感器阵列。上述研究表明,SI-TENG在人机界面和安全系统领域具有广泛的应用前景。

 

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图1.单电极超薄可拉伸SI-TENG的结构设计。a)示意图显示了SI-TENG的详细结构。b)PDMS表面的SEM图像。c)TPU/AgNWs层的SEM图像。d)整个装置的横截面SEM图像。e)高度透明的SI-TENG的光学图像。f,g)贴在皮肤上的SI-TENG的光学图像。h-j)SI-TENG扭曲和拉伸的光学图像。


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图2.单电极模式下SI-TENG的工作机制和输出性能。a)SI-TENG的工作原理示意图。b)用COMSOL进行电位模拟以阐明工作原理。c-e)SI-TENG带电层厚度不同时的开路电压、短路转移的电荷和短路电流。f-h)SI-TENG电气化层不同微观结构表面的开路电压、短路转移的电荷和短路电流。(Ti掩模的#1厚度为1nm,Ti掩模的#2厚度为3nm,Ti掩模的#3厚度为5nm。)


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图3.SI-TENG的电输出、稳定性和灵敏度。a,b)接触-分离1000个循环期间表面变化的AFM图像。c)输出电流和峰值功率取决于负载电阻。d)在各种应用频率下(1-4Hz),SI-TENG的开路电压。e)在各种电容容量下,SI-TENG的充电曲线。f)在不同清洗时间下,SI-TENG的输出电压。g)在不同压力下,SI-TENG的输出电压。h)SI-TENG的输出电压与施加压力的函数关系。


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图4.拉伸状态下SI-TENG的电气和机械特性。a)复合电极和SI-TENG的应变应力。b)SI-TENG的应变。c)复合电极在不同拉伸应变下的电阻变化。d-f)SI-TENG在不同拉伸应变下的输出性能。g-i)SI-TENG在长时间拉伸载荷循环下的输出电压。


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图5.演示SI-TENG作为娱乐游戏的触觉传感器。a)3×3 SI-TENG阵列的方案图。b)3×3 SI-TENG阵列的结构。c)图片显示SI-TENG附着在手上。d)传感系统的电路图。e)演示SI-TENG阵列控制游戏角色移动。f)屏幕截图显示了实时输出电压。g)3×3 SI-TENG阵列的电压输出信号。


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