應用于穿戴式人體姿態(tài)監(jiān)測的全纖維壓電—摩擦復合納米發(fā)電機

織物由于其良好的拉伸性、柔韌性以及穿戴舒適性，成為材料科學和電子技術等跨學科領域研究中非常熱門的器件基底材料。近年來，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)電機的研究受到越來越多的關注。相關研究工作已經(jīng)取得了較大進展，但是織物基可穿戴納米發(fā)電機在實際應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，制約了其在更廣泛領域中的應用。

成果簡介

近日，東華大學張青紅教授課題組、電子科技大學張曉升教授課題組、瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學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－壓電復合納米發(fā)電機（Tribo－piezoelectric nanogenerators， TPNG），不僅具有優(yōu)良的輸出性能還能夠?qū)θ梭w動作實現(xiàn)自供能檢測。相關研究成果以“All－fiber hybrid piezoelectric－enhanced triboelectric nanogenerator for wearable gesture monitoring”為題，發(fā)表于納米科學技術領域重要期刊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，論文作者們通過對器件工作機理的深入理論分析，優(yōu)化摩擦電和壓電的相互關系，得到相互增強的輸出性能。此外，該TPNG具有兩種工作模式（分離模式和集成模式），并分別進行了輸出性能測試。在分離模式中，TPNG最高的輸出電壓、電流和功率分別達到500 V、 12 μA和0．31 mW／cm2。在集成模式時，TPNG可以穿在身上，對人體不同的動作輸出不同的電信號，達到人體動作識別的目的。此外，論文作者們將器件與一種基于微懸臂的MEMS開關電路連接，設計實現(xiàn)了一種自供能的人體跌倒警報系統(tǒng)。當穿戴者跌倒時，警報系統(tǒng)會立即給預先設置的接收手機發(fā)出警報，使其能得到及時的救助。因此，這種智能織物器件在自供能可穿戴人體健康監(jiān)測領域具有重要應用前景。

圖文導讀

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：摩擦電效應與壓電效應的相互作用

（a， b） 當壓電電流與摩擦電流同向的時候，輸出相互增強；

（c， d） 當壓電電流與摩擦電流反向的時候，輸出相互減弱。

圖三：TPNG實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；

（d） 輸出電壓相互減弱。

圖四：不同紡絲條件對器件輸出的影響

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

（c，d） 靜電紡不同時間的PVDF納米纖維的厚度值及相應的輸出電壓。

圖五：TPNG輸出性能及其對彎曲的自供能檢測

（a） TPNG輸出電壓；

（b，c） 不同匹配負載下的器件輸出電壓、電流和功率；

（d） 當TPNG彎曲不同角度時的輸出電壓；

（e） 將TPNG粘貼到手肘部位時，手肘彎曲不同角度的輸出電壓；

（f） TPNG用于采集人體手部運動能量并驅(qū)動LCD的測試圖。

圖六：基于TPNG的自供能跌倒遠程警報系統(tǒng)

（a） 基于TPNG與微懸臂組成的遠程跌倒警報微系統(tǒng)的示意圖；

（b） 自供能跌倒遠程警報系統(tǒng)實時工作測試圖；

（c－e） TPNG采集擺動、滑動和撞擊等人體日常運動能量的測試圖。

小結(jié)

本工作通過采用靜電紡絲法在導電基底上制備了高比表面積的蠶絲蛋白和PVDF納米纖維。并通過對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。其最高輸出電壓、電流和功率分別達到了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計成微系統(tǒng)的關鍵部分，易于集成在服裝上。該自供能的微系統(tǒng)不僅能夠識別人體不同種類的動作并采集能量，而且能夠在人體意外摔倒時實時發(fā)送遠程警報，使穿戴者得到及時的救助，在穿戴式健康監(jiān)測領域具有很好的應用潛力。