可拉伸全橡胶线状摩擦纳米发电机用于自供电穿戴能量收集与生物力学追踪

摘要

可拉伸智能电子学正快速推进人体运动能量收集和自供电生物力学监测领域。本文报道一种新型全橡胶基线状摩擦纳米发电机（TENG），将银包覆玻璃微球与硅橡胶结合形成可拉伸导电线（SCT），以硅橡胶包覆SCT（SSCT）为互补摩擦对偶。所得可拉伸全橡胶线状TENG（SATT）在100%应变下输出开路电压3.82 V、短路电流65.8 nA，可可靠区分不同手指运动状态。将SCT和SSCT单元编织成自供电智能纺织品（SPST），器件以两种模式工作：拉伸-释放模式产生8.1 V和0.42 μA，接触-分离模式与棉接触时产生150 V和2.45 μA。SPST可为商用电子供电并从关节运动收集生物力学能量，为可拉伸穿戴式发电机和自感知织物提供实用平台。

引言

舒适、柔软、透气的穿戴电子学正成为生物医学监测、机器人、人机接口、军事应用和消费设备的重要组成部分。然而，传统电池和超级电容器难以满足这些系统需求，因其刚性、寿命有限、增加重量和环境影响。可持续替代方案是收集人体运动产生的丰富机械能。摩擦纳米发电机（TENG）通过摩擦起电和静电感应将机械变形转化为电能，具有轻量、廉价、多功能等优势，是自供电穿戴设备理想选择。

线状TENG在监测关节运动、触觉感知、脉搏检测等生理信号方面显示潜力。但其可拉伸性——复杂肢体运动的关键要求——仍是挑战。现有智能纺织品常依赖蛇形金属箔、预应变基底或金属纳米线，限制大规模生产和耐用性。

为克服这些局限，我们引入双螺旋全橡胶SATT，结合分散于硅橡胶中的银包覆玻璃微球（SCT）与硅橡胶包覆版本（SSCT）。该设计实现>100%可拉伸性、高电输出和力学稳健性，使单一柔性线同时实现能量收集和自供电感知。

方法

SCT制备

银包覆玻璃微球（深圳先特科技）与固体硅橡胶（TN-920）按3:1重量比混合1.5 h。混合物挤出并在110°C用螺杆挤出机硫化，制得1 mm直径导电线。五根此类线绞合，两端用硅橡胶混合物（Ecoflex 00-30与固化剂1:1）包覆，真空（20 min）和80°C（2 h）固化。所得SCT展现优异可拉伸性和导电性。

SSCT制备

将SCT置入4 mm直径模具，注入硅橡胶混合物（Ecoflex 00-30+固化剂）。抽真空加热后脱模，得完全包覆的摩擦对偶。

测量系统

扫描电镜（SEM）用ZEISS EVO18（Carl Zeiss Jena，德国）。电输出用KEITHLEY 2611B电表记录。

结果与讨论

SATT整合两根双螺旋全橡胶线：含均匀分散银包覆玻璃微球的SCT，和硅橡胶包覆SCT的SSCT。制备细节见图1a。高填充硅橡胶基质确保优异力学相容性，嵌入微球形成三维导电网络，赋予SCT高导电性和可拉伸性。SEM图像（图1b-f）确认导电核心与硅橡胶涂层间无间隙，整体结构（图1g）可拉伸至~100%应变——远超此前报道的线状TENG。

电学上，SATT表现为并联电容器串联。拉伸时硅橡胶表面与导电核心分离，产生电位差驱动电子经外部电路流动。释放应变反向电流，完成完整电荷转移循环。

COMSOL有限元分析（图2b）验证该机制：电位差随施加拉伸力线性增加。SCT电阻50%应变内稳定，高应变下适度上升；五根绞合导电线缓解此效应（图2c-d）。拉伸耐久性测试显示SCT在100%应变下10000循环保持性能（图2e）。电输出随导电线数量缩放：5 cm SATT在100%应变达3.82 V（开路）和65.8 nA（短路）（图2f-g）。1 Hz下响应和恢复时间分别为48 ms和220 ms，表明适合作自供电运动传感器。

为转化为纺织品，我们将SCT和SSCT单元平纹编织成自供电智能纺织品（SPST，5×7 cm²）（图3a-b）。拉伸至100%应变时SPST产生8.1 V和0.42 μA（图3d-e）。与棉接触-分离时SPST在100 N下产生高达150 V和2.45 μA（图4c-d）。120 MΩ负载下功率输出峰值163.3 μW（图4e）。10000循环稳定性测试显示电压无退化（图S2）。电容充电实验显示0.47 μF电容150 s充至14 V，使SPST能点亮LED和驱动商用手表（图4f）。

功能测试确认SATT作为自供电主动传感器能力。贴附手指时，器件产生对应弯曲状态的明显电压峰（图5a）。SPST贴附肘和膝关节，屈伸时输出105-116.9 V和0.73-0.89 μA，展示康复监测和活动追踪潜力（图5b-c）。

结论

我们开发了一种全橡胶基双螺旋线状TENG，实现100%应变，将机械能转化为电能，并作为自供电传感器监测手指和关节运动。编织成平纹织物后，器件拉伸下输出8.1 V/0.42 μA，接触-分离下输出150 V/2.45 μA，最大功率163.3 μW。这些稳健输出使SPST能为商用电子供电、收集生物力学能量，并支持未来医疗和智能追踪应用。