Растяжимые полностью резиновые нитевидные трибоэлектрические наногенераторы для самоуправляемого сбора энергии и биомеханического отслеживания

Аннотация

Растяжимая умная электроника быстро развивает области сбора энергии человеческих движений и самоуправляемого биомеханического мониторинга. Здесь мы сообщаем о новом, полностью резиновом нитевидном трибоэлектрическом наногенераторе (TENG), объединяющем серебро-покрытые стеклянные микросферы с силиконовой резиной для формирования растяжимого проводящего нити (SCT), и силиконово-резиновое покрытие SCT (SSCT) как комплементарного трибоэлектрического партнера. Полученный растяжимый полностью резиновый нитевидный TENG (SATT) выдает напряжение холостого хода 3.82 В и ток короткого замыкания 65.8 нА при 100 % деформации, и надежно различает различные состояния движений пальцев. Когда сплетен в самоуправляемую умную текстильную структуру (SPST) с использованием SCT и SSCT блоков, устройство работает в двух режимах: растяжение-освобождение, генерируя 8.1 В и 0.42 мкА, и контакт-разделение, производя 150 В и 2.45 мкА при контакте текстиля с хлопком. SPST может питать коммерческую электронику и собирать биомеханическую энергию от движений суставов, предлагая практическую платформу для растяжимых, носимых генераторов энергии и самосенсорных тканей.

Введение

Носимая электроника, которая комфортная, мягкая и дышащая, становится неотъемлемой для биомедицинского мониторинга, робототехники, человеко-компьютерных интерфейсов, военных применений и потребительских устройств. Однако обычные батареи и суперконденсаторы борются для удовлетворения требований этих систем из-за их жесткости, ограниченного срока службы, добавленного веса и экологического воздействия. Устойчивой альтернативой является сбор обильной механической энергии, производимой движением человека. Трибоэлектрические наногенераторы (TENG), конвертирующие механическую деформацию в электрическую энергию через трибоэлектризацию и электростатическую индукцию, легкие, недорогие и универсальные, делая их идеальными для самоуправляемых носимых устройств.

Нитевидные TENG показали перспективы для мониторинга физиологических сигналов, таких как движения суставов, тактильное чувствование и детектирование пульса. Однако их растяжимость — критически важное требование для сложных движений конечностей — оставалась проблемой. Существующие умные текстильные изделия часто полагаются на змеевидные металлические фольги, предварительно натянутые подложки или металлические нанопроводники, ограничивая крупномасштабное производство и долговечность.

Для преодоления этих ограничений мы вводим двойную спираль, полностью резиновый SATT, объединяющий серебро-покрытые стеклянные микросферы, диспергированные в силиконовой резине (SCT), с силиконово-резиновым покрытием (SSCT). Этот дизайн достигает >100 % растяжимости, высокого электрического выхода и механической робастности, позволяя как сбору энергии, так и самоуправляемому сенсированию в одной гибкой нити.

Методы

Фабрикация SCT

Серебро-покрытые стеклянные микросферы (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., Китай) смешивали с твердой силиконовой резиной (TN-920) в массовом соотношении 3:1 в течение 1.5 ч. Смесь экструдировали и вулканизировали при 110 °C на винтовой экструзионной машине, производя 1 мм проводящую нить. Пять таких нитей скручивали вместе, а их концы покрывали силиконово-резиновой смесью (Ecoflex 00-30 и отвердитель, 1:1) и отвердевали под вакуумом (20 мин) и при 80 °C (2 ч). Полученный SCT демонстрировал отличную растяжимость и проводимость.

Фабрикация SSCT

SCT помещали в форму диаметром 4 мм, и силиконово-резиновая смесь (Ecoflex 00-30 + отвердитель) впрыскивали. После эвакуации и нагрева SSCT извлекали из формы, получая полностью инкапсулированного трибоэлектрического партнера.

Измерительная система

Растровое электронное микроскопирование (SEM) выполняли на ZEISS EVO18 (Carl Zeiss Jena, Германия). Электрические выходы регистрировали с помощью KEITHLEY 2611B электрометра.

Результаты и обсуждение

SATT интегрирует две двойной-спиральные полностью резиновые нити: SCT, содержащий равномерно диспергированные серебро-покрытые стеклянные микросферы, и SSCT, силиконово-резиновое покрытие SCT. Детали фабрикации показаны на рис. 1a. Высоконагруженная силиконовая матрица обеспечивает отличную механическую совместимость, в то время как встроенные микросферы формируют 3D проводящую сеть, придающую SCT высокую проводимость и растяжимость. SEM-изображения (рис. 1b–f) подтверждают отсутствие зазоров между проводящим ядром и силиконовым покрытием, а общая структура (рис. 1g) может быть растянута до ~100 % деформации — далеко за пределами ранее сообщенных нитевидных TENG.

Электрически SATT ведет себя как последовательность конденсаторов в параллели. При растяжении силиконовая поверхность и проводящее ядро разделяются, создавая разность потенциалов, которая толкает электроны через внешнюю цепь. Освобождение деформации обращает поток, завершая полный цикл переноса заряда.

Конечно-элементный анализ с помощью COMSOL (рис. 2b) подтверждает этот механизм: разность потенциалов линейно увеличивается с приложенной тяговой силой. Сопротивление SCT остается стабильным до 50 % деформации, но незначительно возрастает при более высоких деформациях; включение пяти переплетенных проводящих нитей смягчает этот эффект (рис. 2c-d). Испытания на растяжение показывают, что SCT сохраняет производительность более 10 000 циклов при 100 % деформации (рис. 2e). Электрический выход масштабируется с числом проводящих нитей: 5 см SATT достигает 3.82 В (холостой ход) и 65.8 нА (короткое замыкание) при 100 % деформации (рис. 2f-g). Время отклика и восстановления при 1 Гц составляют 48 мс и 220 мс соответственно, указывая на пригодность как самоуправляемого датчика движения.

Для перевода этой способности в текстиль, мы сплели SCT и SSCT блоки в простой ткацкий самоуправляемый умный текстиль (SPST, 5 × 7 см²) (рис. 3a-b). При растяжении до 100 % деформации SPST генерирует 8.1 В и 0.42 мкА (рис. 3d-e). Во время контакт-разделения с хлопком SPST производит до 150 В и 2.45 мкА при 100 Н (рис. 4c-d). Выходная мощность пикует при 163.3 мкВт под нагрузкой 120 МОм (рис. 4e). Стабильность тестов за 10 000 циклов показывает отсутствие деградации напряжения (Рис. S2). Эксперименты зарядки конденсатора демонстрируют, что 0.47 мкФ конденсатор достигает 14 В за 150 с, позволяя SPST питать светодиоды и коммерческие часы (рис. 4f).

Функциональное тестирование подтверждает способность SATT действовать как самоуправляемый активный сенсор. Когда прикреплен к пальцу, устройство производит отличительные напряженные пики, соответствующие состояниям сгибания (рис. 5a). SPST, прикрепленный к локтевым и коленным суставам, выдает 105–116.9 В и 0.73–0.89 мкА во время сгибания/разгибания, иллюстрируя его потенциал для реабилитационного мониторинга и отслеживания активности (рис. 5b-c).

Заключение

Мы разработали полностью резиновый, двойной-спиральный нитевидный TENG, достигающий 100 % деформации, конвертирующего механическую энергию в электрическую мощность и служащего самоуправляемым сенсором для движений пальцев и суставов. Сплетенный в простой ткацкий текстиль, устройство выдает 8.1 В/0.42 мкА под растяжением и 150 В/2.45 мкА во время контакт-разделения, с максимальной мощностью 163.3 мкВт. Эти робастные выходы позволяют SPST питать коммерческую электронику, собирать биомеханическую энергию и поддерживать будущие медицинские и умные отслеживающие приложения.