王中林院士《AFM》：可拉伸、耐洗、超薄摩擦纳米发电机，实现高灵敏、自供电触觉传感器，助力电子皮肤的发展

表皮电子器件是一类典型的可伸缩传感器，需要具有类似于皮肤的柔软性和质感等优异性能。摩擦电纳米发电机（TENG）可以通过从周围环境中收集机械能来驱动电子系统，具有自供电的传感功能、环保和低成本低优点。现有的可拉伸TENG是由相对复杂工艺或结构制备的可拉伸电极构成，或者是将纳米管、石墨烯等导电填料嵌入弹性体基底中。其中，导电填料的渗透网络存在以下一些缺点： （1）现有方法难以获得具有高拉伸性和优异电导率的电极；（2）需要将电极增厚以为获得高导电性，在一定程度上影响了整个装置的透明性、粘合性和舒适性。因此，下一代皮肤状TENG需要一种新型的可拉伸超薄电极 。目前，可拉伸的TENG在透明度、可洗性、高灵敏度和长期耐用性方面仍然面临挑战。

近日， 中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士（通讯作者）团队 报道了一种可伸缩、耐清洗且超薄仿造皮肤的摩擦电纳米发电机（SI-TENG），其可以收集人体运动能量，并作为一种高度敏感的自供电触觉传感器。 通过优化的材料选择和结构设计，SI-TENG有高可拉伸性（≈800％）、超薄性（≈89 m）和轻便性（≈0.23 g）等优点，其能在不影响人体皮肤接触的情况下与人体皮肤相适应 。通过热塑性聚氨酯（TPU）的同步静电纺丝和银纳米线（AgNWs）的电喷涂，制造了可拉伸的复合电极，该电极由AgNWs与TPU纳米纤维网络均匀缠绕而成。 在施加力为8 N和1 Hz的负载频率时，接触面积为2×2 cm 2 的SI-TENG的开路电压（ V oc ）、短路电流（ I sc ）和功率密度可以分别达到95 V、0.3 A和6 mW m -2 。通过集成信号处理电路，SI-TENG具有出色能量收集和自供电感应能力，可用于检测人类动作的触觉传感器阵列。因此，SI-TENG在人机界面和安全系统领域有着广泛的应用前景。

SI-TENG的制备与表征

由纳米复合膜组装的单电极模式SI-TENG的基本结构：在顶层，改性的表面PDMS薄膜用作起电层；在中间层，AgNWs被均匀地分布在整个TPU纳米纤维网络中，用作可拉伸电极；在底层，商业化VHB作为结构支撑和保护层 。面积为4 cm×4 cm的SI-TENG的厚度仅为89 m、重量仅为230 mg。SI-TENG具有出色的光学透明性，可以直接看到传感器下方的皮肤。SI-TENG与自然皮肤和曲面形成紧密、舒适和共形的附着。此外， SI-TENG在附着并多次拉出物体时表现出稳定的性能，可以进行拉伸、扭曲和弯曲等复杂的机械变形 。

图1、SI-TENG的结构设计

工作机制与输出性能

SI-TENG的工作机理与摩擦起电和静电感应相结合。当活动对象与介电层（PDMS薄膜）接触时，带电过程发生在界面，并且在两个接触之间产生相同数量、极性相反的电荷。对于SI-TENG的电气输出性能， 不同厚度（25、50、100、200和300 m）的PDMS薄膜，其 V oc， I sc和 Q sc的输出性能先增加，后随着PDMS薄膜厚度的增加而降低 。其中， 厚度为50 m的PDMS薄膜使SI-TENG具有最佳的电气输出性能（ V oc : 35 V， Q sc : 13 nC和 I sc : 0.08 A） 。比较由各种粗糙表面PDMS制成SI-TENG的电气输出性能。其中，厚度为3 nm Ti掩模的SI-TENG具有最高输出性能。

图2、SI-TENG的工作机理和输出性能

耐洗性和传感性表征

作者检测了不同清洗次数（10-40 min）下的输出电压，评估SI-TENG的耐洗性。 在整个清洗实验过程中，输出电压没有明显的变化 。当施加压力保持恒定时，出现均匀且可重复的方波形状的输出电压信号。当施加压力达到6 KPa时，相应的电压信号输出也会增加，在65 V达到饱和。需注意，曲线表现出两个不同的区域。在低压区域（0-1.6 KPa）中，SI-TENG表现出良好的线性响应，压力敏感度为9.973 mV Pa -1 ，而在高压区域（>1.6 KPa）中，压力敏感度为0.538 mV Pa -1 。因此， SI-TENG在低压区域（<1.6 KPa）更灵敏 。

图3、SI-TENG的稳定性和灵敏度

可拉伸性表征

SI-TENG被横向拉伸至200％，具有出色的机械性能。通过应力应变仪进行精确的长度控制，测试SI-TENG和复合电极的拉伸应变能力。该电极具有高拉伸性（580％）和相对稳定的电阻（在100％应变下从5到732 Ω）。在不同拉伸状态下，接触面积为1 cm×2 cm的SI-TENG的输出性能随拉伸应变从0％到150％的增加而增加。 在30％拉伸应变时，连续运行10万次后，输出电压没有明显变化，证明SI-TENG具有优异的拉伸性 。

图4、SI-TENG的可拉伸性

探究应用价值

自供电游戏控制器由9个具有3×3阵列的传感单元组成，包括PDMS电气化层、TPU/AgNWs电极层、VHB绝缘层、TPU/AgNWs屏蔽层和VHB/TPU基板层。将SI-TENG与信号处理电路集成在一起，开发了一种皮肤游戏控制器的传感系统。游戏控制器系统由三个主要部分组成：具有3×3感应阵列的SI-TENG、信号处理电路和基于Labview程序的计算机。手指轻轻触摸传感器后，不同的输出电压将根据机械搅拌而变化。因此，开发的自供电类皮肤游戏控制器在自动控制、人机界面等领域具有巨大潜力。

图5、SI-TENG作为游戏的触觉传感器

总之，作者设计的可拉伸、超薄、可清洗且高度敏感的SI-TENG，实现了800％的应变、总厚度约为89 m。此外，SI-TENG具有恒定的防水性能、高透射率和超高压力灵敏度。因此，对于自供电传感系统或作为下一代可穿戴电子设备的能源供应体，具有广阔的应用前景。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005584

来源：高分子科学前沿

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