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正文

应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

导读: 随着智能织物的快速发展,织物基可穿戴纳米发电机的研究受到越来越多的关注。相关研究工作已经取得了较大进展,但是织物基可穿戴纳米发电机在实际应用中依然存在着难以兼顾功能性、穿戴舒适性和高性能输出的缺点,制约了其在更广泛领域中的应用。

织物由于其良好的拉伸性、柔韧性以及穿戴舒适性,成为材料科学和电子技术等跨学科领域研究中非常热门的器件基底材料。近年来,智能织物成为器件由“可戴”飞跃为“可穿”的奠基石。随着智能织物的快速发展,织物基可穿戴纳米发电机的研究受到越来越多的关注。相关研究工作已经取得了较大进展,但是织物基可穿戴纳米发电机在实际应用中依然存在着难以兼顾功能性、穿戴舒适性和高性能输出的缺点,制约了其在更广泛领域中的应用。

成果简介

近日,东华大学张青红教授课题组、电子科技大学张晓升教授课题组、瑞士洛桑联邦理工大学Juergen Brugger教授课题(共同通讯作者)组合作提出了一种织物基可穿戴摩擦-压电复合纳米发电机(Tribo-piezoelectric nanogenerators, TPNG),不仅具有优良的输出性能还能够对人体动作实现自供能检测。相关研究成果以“All-fiber hybrid piezoelectric-enhanced triboelectric nanogenerator for wearable gesture monitoring”为题,发表于纳米科学技术领域重要期刊Nano Energy上,博士研究生郭隐犇为论文第一作者。该工作在导电织物基底上采用静电纺丝的方法制备蚕丝蛋白纳米纤维和聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维构成TPNG的两极,这种纤维膜具有良好的透气性,大大增加了器件的可穿戴舒适性。得益于聚偏氟乙烯优良的压电特性,论文作者们通过对器件工作机理的深入理论分析,优化摩擦电和压电的相互关系,得到相互增强的输出性能。此外,该TPNG具有两种工作模式(分离模式和集成模式),并分别进行了输出性能测试。在分离模式中,TPNG最高的输出电压、电流和功率分别达到500 V、 12 μA和0.31 mW/cm2。在集成模式时,TPNG可以穿在身上,对人体不同的动作输出不同的电信号,达到人体动作识别的目的。此外,论文作者们将器件与一种基于微悬臂的MEMS开关电路连接,设计实现了一种自供能的人体跌倒警报系统。当穿戴者跌倒时,警报系统会立即给预先设置的接收手机发出警报,使其能得到及时的救助。因此,这种智能织物器件在自供能可穿戴人体健康监测领域具有重要应用前景。

图文导读

图一:TPNG结构及其工作原理示意图

应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

(a) 全纤维TPNG的示意图;

(b,c) 蚕丝蛋白、PVDF纳米纤维电镜图;

(d) TPNG工作原理示意图。

图二:摩擦电效应与压电效应的相互作用

应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

(a, b) 当压电电流与摩擦电流同向的时候,输出相互增强;

(c, d) 当压电电流与摩擦电流反向的时候,输出相互减弱。

图三:TPNG实际输出电压及其有限元分析

应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

(a,b) 不同极化方向的PVDF膜构成的TPNG输出电压的有限元模拟图;

(c) 输出电压相互增强;

(d) 输出电压相互减弱。

图四:不同纺丝条件对器件输出的影响

应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

(a,b) 静电纺中施加不同电压制备的PVDF纳米纤维的XRD图谱及相应的输出电压;

(c,d) 静电纺不同时间的PVDF纳米纤维的厚度值及相应的输出电压。

图五:TPNG输出性能及其对弯曲的自供能检测

应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

(a) TPNG输出电压;

(b,c) 不同匹配负载下的器件输出电压、电流和功率;

(d) 当TPNG弯曲不同角度时的输出电压;

(e) 将TPNG粘贴到手肘部位时,手肘弯曲不同角度的输出电压;

(f) TPNG用于采集人体手部运动能量并驱动LCD的测试图。

图六:基于TPNG的自供能跌倒远程警报系统

应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

(a) 基于TPNG与微悬臂组成的远程跌倒警报微系统的示意图;

(b) 自供能跌倒远程警报系统实时工作测试图;

(c-e) TPNG采集摆动、滑动和撞击等人体日常运动能量的测试图。

小结

本工作通过采用静电纺丝法在导电基底上制备了高比表面积的蚕丝蛋白和PVDF纳米纤维。并通过对摩擦电和压电工作原理的理论研究及模拟,制备了高输出性能的压电-摩擦电混合纳米发电机。其最高输出电压、电流和功率分别达到了500 V 、 12 μA和0.31 mW/cm2。除此之外,TPNG的柔性和可裁剪性使其能够被设计成微系统的关键部分,易于集成在服装上。该自供能的微系统不仅能够识别人体不同种类的动作并采集能量,而且能够在人体意外摔倒时实时发送远程警报,使穿戴者得到及时的救助,在穿戴式健康监测领域具有很好的应用潜力。

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