DOI: 10.1002/adfm.202005584
隨著多功能可穿戴電子設備的興起，柔性、可持續可穿戴電源面臨著巨大的挑戰。在此，研究者報道了一種可拉伸、可洗且超薄的仿皮膚摩擦電納米發電機（SI-TENG），用于收集人體運動能量并充當一種高靈敏度的自供電觸覺傳感器。通過優化材料選擇和結構設計，SI-TENG具有可拉伸性（≈800％）、超薄（≈89μm）和輕巧（≈0.23g）的優點，可共形附著在人體皮膚上且不干擾其接觸。通過TPU的同步靜電紡絲和AgNWs的電噴涂，制造了可拉伸的復合電極，該電極由銀納米線（AgNWs）與熱塑性聚氨酯（TPU）納米纖維網絡均勻纏繞而成。基于摩擦起電效應，在接觸面積為2×2 cm2，施加力為8N時，SI-TENG的開路電壓、短路電流和功率密度分別可達95V、0.3μA和6 mW m-2。通過集成信號處理電路，證明了具有出色能量收集和自供電感應功能的SI-TENG是一種檢測人類動作的觸覺傳感器陣列。上述研究表明，SI-TENG在人機界面和安全系統領域具有廣泛的應用前景。
圖1.單電極超薄可拉伸SI-TENG的結構設計。a）示意圖顯示了SI-TENG的詳細結構。b）PDMS表面的SEM圖像。c）TPU/AgNWs層的SEM圖像。d）整個裝置的橫截面SEM圖像。e）高度透明的SI-TENG的光學圖像。f，g）貼在皮膚上的SI-TENG的光學圖像。h-j）SI-TENG扭曲和拉伸的光學圖像。
圖2.單電極模式下SI-TENG的工作機制和輸出性能。a）SI-TENG的工作原理示意圖。b）用COMSOL進行電位模擬以闡明工作原理。c-e）SI-TENG帶電層厚度不同時的開路電壓、短路轉移的電荷和短路電流。f-h）SI-TENG電氣化層不同微觀結構表面的開路電壓、短路轉移的電荷和短路電流。（Ti掩模的＃1厚度為1nm，Ti掩模的＃2厚度為3nm，Ti掩模的＃3厚度為5nm。）
圖3.SI-TENG的電輸出、穩定性和靈敏度。a，b）接觸-分離1000個循環期間表面變化的AFM圖像。c）輸出電流和峰值功率取決于負載電阻。d）在各種應用頻率下（1-4Hz），SI-TENG的開路電壓。e）在各種電容容量下，SI-TENG的充電曲線。f）在不同清洗時間下，SI-TENG的輸出電壓。g）在不同壓力下，SI-TENG的輸出電壓。h）SI-TENG的輸出電壓與施加壓力的函數關系。
圖4.拉伸狀態下SI-TENG的電氣和機械特性。a）復合電極和SI-TENG的應變應力。b）SI-TENG的應變。c）復合電極在不同拉伸應變下的電阻變化。d-f）SI-TENG在不同拉伸應變下的輸出性能。g-i）SI-TENG在長時間拉伸載荷循環下的輸出電壓。
圖5.演示SI-TENG作為娛樂游戲的觸覺傳感器。a）3×3 SI-TENG陣列的方案圖。b）3×3 SI-TENG陣列的結構。c）圖片顯示SI-TENG附著在手上。d）傳感系統的電路圖。e）演示SI-TENG陣列控制游戲角色移動。f）屏幕截圖顯示了實時輸出電壓。g）3×3 SI-TENG陣列的電壓輸出信號。
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