用于人体运动能量收集和自供电生物力学跟踪的高度可拉伸全橡胶螺纹形可穿戴电子设备

介绍

集成在纺织品或衣服上的舒适、柔软和透气的可穿戴电子产品已广泛应用于许多领域，例如生物医学监视器 [1,2,3]、仿生机器人 [4,5,6]、人机交互界面 [ 7, 8]，军工，消费电子[9,10,11]，是科技繁荣进步的完美体现，给我们的生活带来了很多便利和优势。然而，由于结构刚性、寿命有限、设备额外重量和环境污染等技术瓶颈，传统电池和超级电容器难以为这些可穿戴电子设备供电，难以满足其能源需求。因此，探索一种新的可持续的可穿戴电子电源是一个紧迫的问题。对于可穿戴应用而言，人体运动机械能无处不在且相对稳定，有望通过运行中的可穿戴电子设备转化为电能，发展成为可持续的自供电多功能电子设备 [12, 13]。因此，利用人体运动机械能收集技术实现自供电的可穿戴设备，将测量信号转换为供电信号是一种很有前景的方法。

在各种方法中，基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机（TENGs）[14,15,16,17]可以有效地清除人体运动机械能，由于重量轻而被认为是可持续的动力或自供电传感器、成本效益、高效率、坚固性和广泛的材料选择。最近，开发作为自供电可穿戴电子设备的线状 TENG 已证明其在监测人体生理信号方面的优势，包括身体运动检测、皮肤触觉感知、脉冲频率测试等。 - 在波浪结构设计中检测和区分人体的关节运动[18]；然而，传感器的可拉伸性是大应变复杂肢体运动的关键障碍。此外，由线状 TENG 组成的智能纺织电子设备由于易于与衣服集成而在人体运动能量收集系统中显示出其优势。王和同事已经将可穿戴智能纺织品缝制到服装中成为动力布 [19] 或基于精心设计的编织纱线方法实现了 TENG 纺织品 [20]；然而，稳定的高输出性能对于实际应用仍然是一个具有挑战性的问题。此外，以前可穿戴电子设备中的大多数可拉伸电极是通过蛇形金属箔 [21, 22]、在预应变软基板上沉积 [23, 24] 和金属纳米线 [25] 实现的，阻碍了智能纺织电子设备耐受穿戴使用和大规模制造。

在这里，为了解决上述问题，我们提出了一种新型双螺旋结构的 SATT，由“镀银玻璃微球/硅橡胶”作为 SCT 线和“硅橡胶涂层 SCT”作为 SSCT线。由于超可拉伸弹性体基体材料的良好相容性，SATT可以轻松获得100%的高拉伸性，从而在可拉伸电子系统中实现共形组装。长度为 5 cm 的 SATT 产生 3.82 V 的输出电压和 65.8 nA 的输出电流，可用作跟踪手指运动状态的有源可穿戴传感器。此外，SCT和SSCT单元编织的SPST在拉伸释放模式下产生8.1 V的输出电压和0.42μA的电流，在接触分离模式下的最大功率可达163.3 μW。因此，SPST能够为商用电子设备提供电能以维持正常工作状态，同时可以有效地从人体关节运动中获取全方位的生物力学能量，对于推动实用的可伸缩、可穿戴能量采集器的发展具有重要意义。

方法

SCT 的制作

将镀银玻璃微球（深圳夏特科技有限公司，中国）以 3:1 的重量比均匀分散到固体硅橡胶基质（TN-920）中 1.5 小时。然后将混合物放入螺杆挤出机中，在110℃下进行挤出硫化，得到直径为1mm的导电复合线。选择可拉伸的五根导电丝盘绕在一起，两端涂以质量比为1:1的混合硅橡胶(Ecoflex 00-30)和固化剂。最后，将其放入真空干燥箱中，抽真空 20 分钟，并在 80°C 下加热 2 小时。固化成型后，SCT可以实现为可拉伸的复合电极。

SSCT 的制作

将 SCT 放入直径为 4 毫米的模具中。然后，将硅橡胶 (Ecoflex 00-30) 与固化剂的混合物注入模具。抽真空加热后，通过脱模技术制备SSCT。

测量系统

通过场发射扫描电子显微镜（ZEISS EVO18，Carl Zeiss Jena，德国）对样品进行表征。输出电压和电流性能由KEITHLEY 2611B系统静电计记录。

结果与讨论

SATT由两种双螺旋全橡胶线组成：一种是使用均匀分散在硅橡胶基质中的镀银玻璃微球的SCT，另一种是使用硅橡胶涂覆的SCT的SSCT。 SATT 的详细制造过程如图 1a 所示。将镀银玻璃微球（75wt%）通过混炼工艺混合到超弹性硅橡胶中，随后通过螺杆挤出机挤出硫化，得到导电复合线（图1a I）。然后选择五根可拉伸的导电线盘绕在一起作为SCT电极，并在线的末端系上以防止在后续制造过程中解开（图1a（II））。考虑到获得电子的能力强，精心选择了具有优异机械性能的硅橡胶作为包裹材料来封装电极。即，准备 SSCT 并将其视为其他摩擦电线（图 1a（III））。最后，SCT和SSCT相互交织形成具有双螺旋结构的可拉伸、耐磨、低成本的全橡胶螺纹形TENG（图1a（IV））。 SSCT 的横截面扫描电子显微镜 (SEM) 图像如图 1b 所示。很明显，五根导电丝都被硅橡胶紧紧包裹，实现了一体式结构，旨在使内部导电丝上产生更多的感应电荷。如图1c、d所示，不同直径的镀银玻璃微球紧密嵌入硅橡胶中，在橡胶基体中可能出现三维导电网络结构。因此，SCT 具有出色的导电性能和显着的拉伸能力。为了进一步证明均质有机基体的良好相容性，SCT与包覆硅橡胶连接处放大的SEM图像如图1e，f所示。显然，导电线和涂层硅橡胶之间没有间隙，从而实现了精心设计的一体化结构。图 1g 显示了使用双螺旋能量清除线得到的 SATT，图 1g 下方的图像显示了 SATT 的拉伸性。结果表明，线状 TENG 可以被拉长至 ≈ 100%，这明显优于之前关于基于线的 TENG 的报道 [26,27,28]。

一 SATT器件制造工艺示意图。 b –d SSCT 横截面视图在不同放大倍数下的 SEM 图像。 e , f 不同放大倍数下SCT与包覆硅橡胶连接位置的SEM图。 g 制备的 SATT 的照片以及在 ≈ 100% 应变下拉伸的演示。

尽管采用复杂的双螺旋结构制造，但 SATT 可以近似为大量并联的电容器，而无需考虑边缘效应。因此，SATT的工作机制可以简化为拉伸-释放循环中SCT和SSCT之间典型的接触-分离过程。基于接触带电和静电感应耦合效应的 SATT 发电机制如图 2a 所示。在原始状态下，硅橡胶表面带负电荷，而由于接触带电，电极上分别产生等效的正电荷。当对 SATT 施加拉应力时，硅胶表面和电极之间的距离会增加并导致电位差。电子通过外部电路在两个电极之间流动，从而形成电流。直到距离相当远时，才会有一个平衡状态的电子阻止转移。当拉应力被释放时，电子在电极之间反向流动以实现电荷平衡。在 SATT 完全恢复到原始状态后，电荷再次完全中和。因此，SATT可以在连续的拉伸-释放周期运动中产生输出电能。

一 SATT在拉伸-释放过程中的发电机制。 b 使用 COMSOL 软件模拟电位分布的结果。 c 长度为 5 cm 的导电线在不同应变下的电阻。 d 不同数量的导电线所承受的张力作为应变量的函数。 e SCT 在 100% 应变内的拉伸耐久性测试。 f 不同应变下导电线的输出电压和电流。 g 长度为 5 cm 的 SATT 在 100% 应变下的开路电压。 h 面板 g 中黑色虚线框所指示区域的放大视图

此外，我们建立了基于 COMSOL 软件的有限元法 (FEM) 仿真来定量分析 SATT 的工作机制。在该模型中，两种摩擦电荷密度为± 1μC/m ² 分配在螺纹表面上。值得注意的是，螺纹表面的初始电荷量仅影响计算出的电势；然而，电位的相对变化趋势是不变的。图 2b 显示了 SATT 在不同张力下的电势分布。当外部拉伸力不存在时，整个器件的电位差几乎为零。随着 SATT 向外拉伸，正负摩擦电荷分离，电位差会增加。由此可见，COMSOL软件的仿真结果与上述工作机理的理论分析过程是一致的。

对于可舒适拉伸的电极，导电性是一个足够重要的因素。所提出的具有分散在硅橡胶弹性体中的镀银玻璃微球的可拉伸线形电极在不同应变下拉伸以产生不同的电导率。有必要系统地研究导电线的数量、拉伸长度和电极电阻之间的关系。图 2c 显示了 1 到 5 根长度为 5 厘米的导电线在不同应变支架上的电阻。在50%应变范围内，不同导电丝数的电极在拉伸和释放过程中的电阻几乎没有变化。但是，随着应变量的增加，导电线的数量越多，电极的电阻值越低。图 2d 显示了不同数量的导电线所承受的张力作为应变量的函数。显然，随着导电线的数量增加，拉力会增大。考虑到更容易受到张力的刺激，本文选择了五根交织的导电线作为 SCT 电极。进行了 SCT 在 100% 应变内的拉伸耐久性，如图 2e 所示。结果表明，SCT 是一种优异的导电弹性体，特别是表现出高度稳定的可逆性。此外，还进行了双螺旋能量清除线的电输出性能，如图 2f 所示。随着导电线数量的增加，电极与硅橡胶之间的接触面积扩大，导致在拉伸-释放运动下摩擦电线之间转移的电荷更多。因此，输出开路电压和短路电流都增加。图 2g 显示，长度为 5 cm 的 SATT 在 100% 应变下可以产生 3.82 V 的开路电压和 65.8 nA 的短路电流。一个电压周期的放大图如图2h所示。值得注意的是，由 SCT 和 SSCT 组成的 SATT 在 1 Hz 时的响应和恢复时间分别为 48 ms 和 220 ms。因此，SATT有望用作自供电张力传感电子设备来监测人体生理信号。

人体运动产生的机械能由于具有普遍性、可再生性和稳定性等诸多优点，已成为人们经常使用的能源。从人体运动中收集机械能的智能纺织品和智能服装已被广泛研究 [29,30,31]。然而，由于缺乏优异的拉伸性，基于柔性条带的智能纺织品的舒适性是阻碍智能织物发展的极其重要的因素。鉴于SATT装置优异的可拉伸特性，这里提出了一种轻便、舒适、可穿戴的自供电纺织品。 SCT 和 SSCT 单元采用传统平纹组织编织成 SPST。 SPST 装置的示意图和照片 (5 × 7 cm ² ) 在图 3a、b 中展示。值得注意的是，生物运动通常被认为是在 5-30% 应变下被拉长，这需要可穿戴电子设备具有更高的应变兼容性，以确保在机械张力下长期稳定运行 [32,33,34]。图 3c 显示了使用线性电机的 SPST 设备有意拉伸 100% 应变的拉伸示意图。 SPST的拉伸-释放工作机制与SATT相同，重点是将所有STC端子作为测试端口，将SSTC中的电极连接在一起作为另一个测试端口。 SPST器件在拉伸-释放激励过程中的开路电压和短路电流分别约为8.1 V和0.42 μA（图3d、e）。由于具有高拉伸性和稳定的输出性能，SPST可以作为一种自供电监测装置来清除人体关节的拉伸动能。

一 SPST 的示意图。 b SPST 的照片图像。 c SPST 在 100% 应变下的拉伸示意图。 d 输出电压和e 周期性拉伸-释放循环中SPST的输出电流

此外，考虑到 SPST 装置在实际人体运动过程中会出现与其他服装面料的接触分离过程，因此在线性电机的周期性攻丝过程中实现了 SPST-棉花攻丝的输出性能（图 4a）。 SPST-棉花攻丝的发电机制如图4b所示。在周期性的攻丝循环中，棉花和 SPST 之外的两种材料之间发生接触分离模式。因此，静电感应电荷在 SPST 的电极之间流动。图 4c、d 显示了 100 N 作用下的开路电压和短路电流。值得注意的是，SPST 在不同分接频率下的开路电压约为 150 V，与工作频率无关。然而，SPST 的短路电流分别约为 0.96、1.31、1.55、1.77 和 2.45 μA，频率分别为 0.5、1、1.5、2 和 3 Hz。这是因为接触分离的时间随着频率的升高而变短，因此相同数量的电荷会导致更大的电流 (Isc =dQsc/dt)。此外，作为供能装置的单刀单掷在实际应用中通常与外部负载相连。附加文件 1：图 S1 将输出电压显示为 1 MΩ 至 1 GΩ 的外部负载电阻的函数。由于输出功率由 U ² 定义，因此可以得到连接各种电平的外部负载的 SPST 的输出功率 /R。显然，输出功率先增大后减小，当外部负载电阻约为 120 MΩ 时达到最大值 163.3 μW。此外，SPST 的稳定性测试进行了 10,000 次循环，如附加文件 1：图 S2 所示。很明显，SPST的输出电压在周期性的测试周期中没有下降，因此SPST具有非凡的长寿命。 SPST-棉花攻丝产生的电力可以存储到电容器中，为可穿戴电子设备供电。图4e显示了不同容量在3 Hz频率和100 N力下的充电曲线。0.47 μF电容的电压可以充电到14 V 150 s。随着电容器容量的增加，达到相同的高电压需要更长的时间。由于出色的输出性能，SPST 棉设备可以直接打开 LED 并通过存储在电容器中的电能为商用电动手表供电（图 4f 和附加文件 2：视频 S1、S2）。这些结果表明，单刀单掷装置可以为商用电子设备提供电能以维持其正常运行。

一 SPST-棉花攻丝示意图。 b SPST-棉花攻丝的发电机制。 c 开路电压和 d 不同分接频率下 SPST 棉分接的短路电流。 e 各种电容器在3 Hz频率和100 N力下的实测电压曲线。f LEDs和电子表由SPST-cotton装置驱动

线状的 TENG 可拉伸且易于组装在身体的大部分部位，可用作检测身体运动的主动可穿戴电子设备。如图 5a 和附加文件 2：视频 S3 所示，SATT 设备固定在受试者的索引图上，以响应五种弯曲释放运动状态。显然，输出电压峰值随着运动幅度的增大而增加，即输出监测信号由拉伸运动的幅度决定。这些行为证实了 SATT 可以用作自供电有源传感器，无需外部电源来定量表征手指运动状态。此外，由SCT和SSCT单元编织的SPST开路电压稳定且与工作频率无关，可作为运动监测的输出信号。如图 5b、c 所示，将 SPST 固定在人体关节上以进行能量收集和状态监测。当肘关节和膝关节的屈伸行为出现时，产生SPST的拉伸释放模式和SPST-棉花的接触分离模式，从而产生交变电信号。显然，SPST器件充分满足了智能纺织品对弹性性能的要求，在肘关节和膝关节的最大弯曲角度下，输出电压分别达到105 V和116.9 V左右。响应输出电流分别约为 0.73 μA 和 0.89 μA。因此，精心设计的SPST通过清除人体关节运动能量为可穿戴电子设备提供了一种很有前景的供电方式，并将在患者康复训练和跟踪活动的应用中发挥极其重要的作用。

一 SATT 作为自供电有源传感器，用于检测手指运动状态。 b SPST 固定在肘部 c 膝关节进行能量收集和状态监测

结论

总之，本文以镀银玻璃微球和硅橡胶为原料，展示了一种新设计的可拉伸全橡胶线状可穿戴电子设备。具有 100% 应变的 SATT 可以通过静电效应将拉伸机械能转换为电能，并被证明是一种自供电传感器，可以定量跟踪手指关节运动。此外，SCT和SSCT摩擦电丝采用传统平纹组织编织成SPST，通过编织单元之间的拉伸-释放相互作用产生8.1 V的开路电压和0.42 μA的短路电流，最大输出功率为163.3 μW，外部负载电阻为 120 MΩ，采用 SPST 棉分接方式。单刀单掷具有稳定和大输出电压的性能，已被确定为为商业电子产品提供电能的有效电源。 SPST具有可拉伸性和可穿戴性，为从人体关节运动中获取生物力学能量提供了一种有效的解决方案，有望在医疗系统和自供电智能跟踪技术的应用中发挥巨大的潜力。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章及其补充信息文件中。

缩写

SAT：

可拉伸全橡胶线形TENG

SCT：

可伸缩导电线

SEM：

扫描电镜。

SPST：

自供电智能纺织品

SSCT：

硅橡胶涂层SCT

TENG：

摩擦纳米发电机