Эко-дрожжевая крахмальная бумага трибоэлектрический наногенератор для реального времени сенсинга человеческого пота

Аннотация

Мы разработали одноразовый, биоразлагаемый трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ), изготовленный из крахмальной бумаги, позволяющий прямой сенсинг человеческого пота. Используя недорогие, коммерчески доступные компоненты, крахмальная бумага ТЭНГ (К-Б ТЭНГ) производится за несколько минут простым процессом сборки. Его электрический выход высоко реагирует на поглощенную влагу, позволяя детекцию пота в реальном времени. Крахмальная подложка полностью растворяется в воде менее чем за четыре минуты, подчеркивая зеленые заслуги устройства и пригодность для носимой электроники следующего поколения.

Введение

Гибкая электроника, которая растяжима, компактна и биоразлагаема, быстро возникает как опора одноразовых био-сенсоров, умной упаковки и носимых устройств. Их биосовместимость и экологическая дружественность привлекли значительное внимание, побуждая исследования подложек, которые могут безопасно деградировать после использования. Традиционные источники питания для носимых опираются на небиоразлагаемые батареи, создавая бутылочное горлышко для по-настоящему устойчивых систем. Трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ) конвертируют амбиентное механическое движение в электрическую энергию через контактное электричество и электростатическую индукцию, предлагая само-питающуюся альтернативу. В то время как многие ТЭНГ используют полимеры, устойчивые к декомпозиции, крахмал — дешевое, изобильное, возобновляемое углевод — предоставляет перспективную, полностью деградирующую подложку. В этом исследовании мы представляем простой, одноразовый К-Б ТЭНГ, построенный из крахмальной бумаги, который может собирать механическую энергию и одновременно мониторить человеческий пот, демонстрируя его потенциал для эко-френдли носимой электроники.

Метод

Сборка К-Б ТЭНГ

Крахмальная бумага (толщина ~1 мм) была получена от GILRO Corp. (Израиль). Одна грань листа была связанна с металлическим проводом и затем экспонировалась водяному пару, формируя активный трибоэлектрический слой. Рис. 1 иллюстрирует быструю, стоимостную последовательность фабрикации.

Измерения и человеческая демонстрация

Электрические характеристики записывались на цифровом осциллографе DSOX6004A. 4,4 × 4,4 см² К-Б ТЭНГ позиционировали на человеческом локте, с металлическим электродом, обращенным к коже. Выходные сигналы захватывали в течение различных периодов локтевого движения.

Результаты и обсуждение

К-Б ТЭНГ работает за счет связывания человеческой руки с крахмальной бумагой. Когда контакт происходит, бумага приобретает отрицательные поверхностные заряды, в то время как рука становится положительно заряженной. При разделении дисбаланс движет электроны к заземленному электроду, генерируя измеримое напряжение. Рис. 2 иллюстрирует этот механизм.

Два операционных режима возникают на основе уровня влаги. В первом режиме тонкая водяная пленка частично ловушивает заряды, создавая потенциальный барьер, ограничивающий движение носителей. Во втором режиме непрерывная водяная сеть драматически снижает внутреннее сопротивление, усиливая выходное напряжение. Выходное напряжение растет с увеличением водяного пара до насыщения, когда сеть полностью формируется.

Фотография изготовленного К-Б ТЭНГ показана в Рис. 3а. Используя настраиваемый резистор как нагрузку, мы записывали напряженный отклик для разных интервалов водяного распыления. Рис. 3b демонстрирует, что по мере увеличения нагрузочного сопротивления от 100 кОм до 100 МОм, открытое цепь напряжение стабильно поднимается, пикуя при 11,2 В. Максимальная мощность достигается при нагрузке ~15 МОм, указывая на внутреннее сопротивление примерно того же значения. Тесты стабильности (Рис. 4) раскрывают только маргинальное падение напряжения под повторной вертикальной нагрузкой.

Листовое сопротивление крахмальной бумаги снизилось с 19 МОм (сухую) до 130 кОм после семи водяных распылений, отражая прогрессивное формирование проводящих путей. Рис. 5 показывает соответствующую эволюцию напряжения: выход растет в течение первых трех распылений (режим 1) и насыщается после (режим 2). Эта четкая корреляция между содержанием влаги и электрическим ответом подтверждает пригодность устройства для детекции пота.

Для валидации пот-сенсинга, К-Б ТЭНГ крепили к локтю после разных продолжительностей движения. Кожа чистили сухой полотенцем перед каждым тестом для удаления остаточного пота. Напряжение, записанное под 100 МОм нагрузкой, зеркалило тренд, наблюдаемый в Рис. 5, демонстрируя, что устройство может количественно определять потоотделение и мониторить время движения в реальном времени.

Деградабельность оценивали погружением крахмальной бумаги в водопроводную воду под мягкой агитацией. Как показано в Рис. 7, бумага полностью дезинтегрировала в течение четырех минут, подтверждая ее полностью биоразлагаемую природу.

Заключение

Мы представили быстрый, низкозатратный метод фабрикации одноразового, биоразлагаемого ТЭНГ из крахмальной бумаги. Устройство не только собирает механическую энергию, но и предоставляет надежный, реального-времени показ человеческого пота, делая его привлекательной платформой для устойчивой носимой электроники. Его полное растворение в воде в течение четырех минут дальнейше подчеркивает его эко-френдли профиль.

Аббревиатуры

TENG:

Трибоэлектрический наногенератор