應(yīng)用于穿戴式人體姿態(tài)監(jiān)測(cè)的全纖維壓電—摩擦復(fù)合納米發(fā)電機(jī)

織物由于其良好的拉伸性、柔韌性以及穿戴舒適性，成為材料科學(xué)和電子技術(shù)等跨學(xué)科領(lǐng)域研究中非常熱門的器件基底材料。近年來(lái)，智能織物成為器件由“可戴”飛躍為“可穿”的奠基石。隨著智能織物的快速發(fā)展，織物基可穿戴納米發(fā)電機(jī)的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。相關(guān)研究工作已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但是織物基可穿戴納米發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中依然存在著難以兼顧功能性、穿戴舒適性和高性能輸出的缺點(diǎn)，制約了其在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用。

成果簡(jiǎn)介

近日，東華大學(xué)張青紅教授課題組、電子科技大學(xué)張曉升教授課題組、瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)Juergen Brugger教授課題（共同通訊作者）組合作提出了一種織物基可穿戴摩擦－壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)（Tribo－piezoelectric nanogenerators， TPNG），不僅具有優(yōu)良的輸出性能還能夠?qū)θ梭w動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自供能檢測(cè)。相關(guān)研究成果以“All－fiber hybrid piezoelectric－enhanced triboelectric nanogenerator for wearable gesture monitoring”為題，發(fā)表于納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要期刊Nano Energy上，博士研究生郭隱犇為論文第一作者。該工作在導(dǎo)電織物基底上采用靜電紡絲的方法制備蠶絲蛋白納米纖維和聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維構(gòu)成TPNG的兩極，這種纖維膜具有良好的透氣性，大大增加了器件的可穿戴舒適性。得益于聚偏氟乙烯優(yōu)良的壓電特性，論文作者們通過(guò)對(duì)器件工作機(jī)理的深入理論分析，優(yōu)化摩擦電和壓電的相互關(guān)系，得到相互增強(qiáng)的輸出性能。此外，該TPNG具有兩種工作模式（分離模式和集成模式），并分別進(jìn)行了輸出性能測(cè)試。在分離模式中，TPNG最高的輸出電壓、電流和功率分別達(dá)到500 V、 12 μA和0．31 mW／cm2。在集成模式時(shí)，TPNG可以穿在身上，對(duì)人體不同的動(dòng)作輸出不同的電信號(hào)，達(dá)到人體動(dòng)作識(shí)別的目的。此外，論文作者們將器件與一種基于微懸臂的MEMS開關(guān)電路連接，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種自供能的人體跌倒警報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)穿戴者跌倒時(shí)，警報(bào)系統(tǒng)會(huì)立即給預(yù)先設(shè)置的接收手機(jī)發(fā)出警報(bào)，使其能得到及時(shí)的救助。因此，這種智能織物器件在自供能可穿戴人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

圖文導(dǎo)讀

圖一：TPNG結(jié)構(gòu)及其工作原理示意圖

（a） 全纖維TPNG的示意圖；

（b，c） 蠶絲蛋白、PVDF納米纖維電鏡圖；

（d） TPNG工作原理示意圖。

圖二：摩擦電效應(yīng)與壓電效應(yīng)的相互作用

（a， b） 當(dāng)壓電電流與摩擦電流同向的時(shí)候，輸出相互增強(qiáng)；

（c， d） 當(dāng)壓電電流與摩擦電流反向的時(shí)候，輸出相互減弱。

圖三：TPNG實(shí)際輸出電壓及其有限元分析

（a，b） 不同極化方向的PVDF膜構(gòu)成的TPNG輸出電壓的有限元模擬圖；

（c） 輸出電壓相互增強(qiáng)；

（d） 輸出電壓相互減弱。

圖四：不同紡絲條件對(duì)器件輸出的影響

（a，b） 靜電紡中施加不同電壓制備的PVDF納米纖維的XRD圖譜及相應(yīng)的輸出電壓；

（c，d） 靜電紡不同時(shí)間的PVDF納米纖維的厚度值及相應(yīng)的輸出電壓。

圖五：TPNG輸出性能及其對(duì)彎曲的自供能檢測(cè)

（a） TPNG輸出電壓；

（b，c） 不同匹配負(fù)載下的器件輸出電壓、電流和功率；

（d） 當(dāng)TPNG彎曲不同角度時(shí)的輸出電壓；

（e） 將TPNG粘貼到手肘部位時(shí)，手肘彎曲不同角度的輸出電壓；

（f） TPNG用于采集人體手部運(yùn)動(dòng)能量并驅(qū)動(dòng)LCD的測(cè)試圖。

圖六：基于TPNG的自供能跌倒遠(yuǎn)程警報(bào)系統(tǒng)

（a） 基于TPNG與微懸臂組成的遠(yuǎn)程跌倒警報(bào)微系統(tǒng)的示意圖；

（b） 自供能跌倒遠(yuǎn)程警報(bào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作測(cè)試圖；

（c－e） TPNG采集擺動(dòng)、滑動(dòng)和撞擊等人體日常運(yùn)動(dòng)能量的測(cè)試圖。

小結(jié)

本工作通過(guò)采用靜電紡絲法在導(dǎo)電基底上制備了高比表面積的蠶絲蛋白和PVDF納米纖維。并通過(guò)對(duì)摩擦電和壓電工作原理的理論研究及模擬，制備了高輸出性能的壓電－摩擦電混合納米發(fā)電機(jī)。其最高輸出電壓、電流和功率分別達(dá)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夠被設(shè)計(jì)成微系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，易于集成在服裝上。該自供能的微系統(tǒng)不僅能夠識(shí)別人體不同種類的動(dòng)作并采集能量，而且能夠在人體意外摔倒時(shí)實(shí)時(shí)發(fā)送遠(yuǎn)程警報(bào)，使穿戴者得到及時(shí)的救助，在穿戴式健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。