Uiterst rekbare, volledig op rubber gebaseerde, draadvormige draagbare elektronica voor het oogsten van energie door menselijke beweging en zelfaangedreven biomechanische tracking

Resultaten en discussie

De SATT bestaat uit twee volledig op rubber gebaseerde dubbele schroefdraden:de ene is de SCT met behulp van zilvergecoate glazen microsferen die uniform zijn gedispergeerd in de siliconenrubbermatrix, en de andere is de SSCT die de met siliconenrubber beklede SCT gebruikt. Het gedetailleerde fabricageproces van de SATT wordt geïllustreerd in figuur 1a. De met zilver beklede glazen microbolletjes (75 gew.%) werden door een mengproces in het ultra-elasticiteitssiliconenrubber gemengd, dat vervolgens werd geëxtrudeerd en gevulkaniseerd door de schroefextrusiemachine om de geleidende composietdraad te verkrijgen (Fig. 1a I). Vervolgens werden de vijf rekbare geleidende draden geselecteerd om samen te worden opgerold en gebruikt als SCT-elektrode, en de uiteinden van de draden werden vastgebonden om losdraaien tijdens de daaropvolgende productie te voorkomen (Fig. 1a (II)). Gezien het sterke vermogen om elektronen op te nemen, werd het siliconenrubber met superieure mechanische eigenschappen zorgvuldig gekozen als verpakkingsmateriaal om de elektrode in te kapselen. De SSCT werd namelijk voorbereid en beschouwd als de andere tribo-elektrische draad (figuur 1a (III)). Ten slotte waren de SCT en SSCT met elkaar verweven om een ​​rekbare, slijtvaste en goedkope, volledig op rubber gebaseerde draadvormige TENG met dubbele helixstructuur te vormen (figuur 1a (IV)). Het dwarsdoorsnede-scanning-elektronenmicroscopie (SEM) beeld van SSCT wordt getoond in figuur 1b. Het is duidelijk dat de vijf geleidende draden stevig zijn gecoat met siliconenrubber om een ​​alles-in-één structuur te bereiken die gericht is op meer geïnduceerde ladingen die optreden op de interne geleidende draden. Zoals getoond in Fig. 1c, d, zijn de met zilver beklede glazen microbolletjes met verschillende diameters nauw ingebed in siliconenrubber, wat een driedimensionale geleidende netwerkstructuur in de rubberachtige matrix zou kunnen lijken. Dientengevolge heeft de SCT een uitstekend geleidende eigenschap en opmerkelijk rekbaar vermogen. Om de goede compatibiliteit van homogene organische matrix verder aan te tonen, worden de SEM-afbeeldingen van de vergrote in de verbindingspositie tussen SCT en gecoat siliconenrubber getoond in Fig. 1e, f. Blijkbaar is er geen opening tussen geleidende draden en gecoat siliconenrubber, zodat ze een goed ontworpen geïntegreerde structuur hebben. Figuur 1g toont de resulterende SATT met dubbel-helix energie-wegvangende draden, en de onderste afbeelding van figuur 1g toont de rekbaarheid van de SATT. Het resultaat laat zien dat de draadvormige TENG kan worden verlengd tot ≈ 100%, wat overweldigend superieur is aan de eerdere rapporten over op draad gebaseerde TENG [26,27,28].

een Schematisch diagram voor het fabricageproces van het SATT-apparaat. b –d Het SEM-beeld van de SSCT-dwarsdoorsnede bij verschillende vergrotingen. e , v Het SEM-beeld van de verbindingspositie tussen SCT en gecoat siliconenrubber bij verschillende vergrotingen. g Foto's van de voorbereide SATT met demonstraties van uitgerekt zijn bij ≈ 100% belasting.

Ondanks de complexe structuur met dubbele helix, kan de SATT worden benaderd als een groot aantal parallel geschakelde condensatoren zonder rekening te houden met het randeffect. Het werkingsmechanisme van SATT zou dus kunnen worden vereenvoudigd tot het typische contactscheidingsproces tussen de SCT en SSCT in de cycli van uitrekken en vrijgeven. Het elektriciteitsopwekkingsmechanisme van de SATT op basis van de koppelingseffecten van contactelektrificatie en elektrostatische inductie is weergegeven in figuur 2a. In de oorspronkelijke staat neemt het oppervlak van het siliconenrubber de negatieve ladingen op, terwijl door de contactelektrificatie respectievelijk een equivalente positieve lading op de elektrode wordt gegenereerd. Wanneer er een trekspanning op de SATT wordt uitgeoefend, wordt de afstand tussen het siliconenoppervlak en de elektrode groter en ontstaat er een elektrisch potentiaalverschil. De elektronen stromen tussen twee elektroden door de externe circuits, wat resulteert in de vorming van een elektrische stroom. Totdat de afstand vrij ver weg is, is er een evenwichtstoestand van elektronen die de overdracht stoppen. Wanneer de trekspanning wordt opgeheven, stromen de elektronen omgekeerd tussen de elektroden om een ​​ladingsbalans te realiseren. Nadat de SATT volledig in de originele staat is hersteld, worden de ladingen weer volledig geneutraliseerd. De SATT zou dus elektrische output-energie kunnen genereren in de continue uitrekkende en periodieke bewegingen vrijgeven.

een Krachtopwekkingsmechanisme van SATT bij het uitrekken-vrijgevend proces. b De simulatieresultaten van de potentiaalverdelingen met behulp van COMSOL-software. c De weerstanden van geleidende draden met een lengte van 5 cm bij verschillende spanningssteunen. d De trekkracht die wordt ervaren door verschillende aantallen geleidende draden als functies van de hoeveelheid spanning. e De trekduurzaamheidstest van de SCT binnen 100% rek. v De uitgangsspanningen en -stromen van geleidende draden bij verschillende spanningsbevestigingen. g De nullastspanning van SATT met een lengte van 5 cm bij 100% rek. u Vergrote weergave van het gebied aangegeven door het gestreepte zwarte kader in paneel g

Verder stellen we een eindige-elementenmethode (FEM)-simulatie op gebaseerd op de COMSOL-software om het werkingsmechanisme van de SATT kwantitatief te analyseren. In dit model zijn de twee tribo-ladingsdichtheden van ± 1μC/m ² zijn toegewezen aan de schroefdraadoppervlakken. Het is de moeite waard om op te merken dat de hoeveelheid initiële ladingen op de draadoppervlakken alleen het berekende elektrische potentieel beïnvloedt; de relatieve veranderende trend van de elektrische potentiaal zal echter onveranderlijk zijn. Figuur 2b toont de elektrische potentiaalverdelingen van de SATT bij verschillende trekkrachten. Wanneer de externe uitgerekte kracht niet bestaat, is het potentiaalverschil van het hele apparaat bijna nul. Als de SATT naar buiten wordt uitgerekt, worden de positieve en negatieve tribo-ladingen gescheiden en wordt het potentiaalverschil groter. Bijgevolg is het duidelijk dat de simulatieresultaten door COMSOL-software consistent zijn met het theoretische analyseproces van het bovenstaande werkmechanisme.

Voor een comfortabel rekbare elektrode is elektrische geleidbaarheid een voldoende belangrijke factor. De voorgestelde rekbare draadvormige elektrode met met zilver beklede glazen microbolletjes gedispergeerd in siliconenrubberelastomeer wordt uitgerekt bij verschillende spanningen om een ​​gevarieerd elektrisch geleidingsvermogen te veroorzaken. Het is noodzakelijk om de relatie tussen het aantal geleidende draden, de lengte van de rek en de weerstand van de elektrode systematisch te bestuderen. Figuur 2c toont de weerstanden van één tot vijf geleidende draden met een lengte van 5 cm bij verschillende spanningssteunen. Binnen het bereik van 50% rek zijn de weerstanden van elektroden met verschillende aantallen geleidende draden vrijwel onveranderd tijdens het rek- en losproces. Echter, naarmate de hoeveelheid rek toeneemt, hoe meer geleidende draden, hoe lager de weerstandswaarde van de elektrode. Figuur 2d toont de trekkracht die wordt ervaren door verschillende aantallen geleidende draden als functies van de hoeveelheid rek. Het is duidelijk dat de trekkracht groter zal worden naarmate het aantal geleidende draden toeneemt. Aangezien het gemakkelijker is om door trekkracht te worden gestimuleerd, zijn de vijf met elkaar verweven geleidende draden geselecteerd als de SCT-elektrode in dit werk. De trekduurzaamheid van de SCT binnen 100% rek werd uitgevoerd, zoals weergegeven in figuur 2e. De resultaten geven aan dat de SCT een uitstekend geleidend elastomeer is, dat vooral een zeer stabiele omkeerbaarheid vertoont. Bovendien werden de elektrische outputprestaties van de energie-wegvangende draden met dubbele helix uitgevoerd, zoals weergegeven in figuur 2f. Naarmate het aantal geleidende draden toeneemt, worden de contactgebieden tussen elektrode en siliconenrubber vergroot, wat resulteert in meer overgedragen ladingen tussen tribo-elektrische draden onder de uitrekkende-bevrijde bewegingen. Dienovereenkomstig nemen zowel de uitgangsspanning bij open circuit als de kortsluitstroom toe. Figuur 2g laat zien dat de SATT met een lengte van 5 cm de nullastspanning van 3,82 V en de kortsluitstroom van 65,8 nA bij 100% rek kan genereren. De vergrote weergave van één spanningscyclus wordt getoond in Fig. 2h. Het is vermeldenswaard dat de respons- en hersteltijden van de SATT bestaande uit SCT en SSCT respectievelijk 48 ms en 220 ms bij 1 Hz zijn. Bijgevolg wordt verwacht dat de SATT zal worden gebruikt als zelfaangedreven elektronische spanningsdetectie om menselijke fysiologische signalen te bewaken.

De mechanische energie van menselijke bewegingen is de vaak gebruikte energiebron vanwege de verschillende voordelen, zoals universaliteit, hernieuwbaarheid en stabiliteit. Er is veel onderzoek gedaan naar slim textiel en intelligente kleding die de mechanische energie van menselijke bewegingen verzamelt [29,30,31]. Door het gebrek aan uitstekende rekbaarheid is het comfort van slim textiel op basis van de flexibele stroken echter een uiterst belangrijke factor die de ontwikkeling van intelligente stoffen in de weg staat. Gezien de uitstekende rekbaarheid van het SATT-apparaat, wordt hier een lichtgewicht, comfortabel en draagbaar zelfaangedreven textiel naar voren gebracht. De SCT- en SSCT-eenheden werden in SPST geweven met traditioneel platbinding. De schematische illustratie en foto van het SPST-apparaat (5 × 7 cm ² ) worden getoond in Fig. 3a, b. Het is vermeldenswaard dat biologische bewegingen normaal gesproken als langwerpig worden beschouwd bij 5-30% spanning, wat een veel hogere spanningscompatibiliteit van de draagbare elektronica vereist om een ​​langdurige stabiele werking onder mechanische spanning te garanderen [32,33,34]. Figuur 3c geeft de uitrekkende schematische grafiek weer van de opzettelijk uitgerekte 100% spanning van het SPST-apparaat met behulp van een lineaire motor. Het strek-bevrijdingsmechanisme van SPST is hetzelfde als dat van SATT, waarbij de nadruk ligt op het verbinden van alle STC-terminals als de testpoort en de elektroden in SSTC met elkaar als de andere testpoort. De nullastspanning en kortsluitstroom van het SPST-apparaat zijn respectievelijk ongeveer 8,1 V en 0,42 μA tijdens het strekken en vrijgeven van excitatie (Fig. 3d, e). Vanwege de hoge rekbaarheid en stabiele outputprestaties, zou de SPST kunnen worden gebruikt als een zelfaangedreven bewakingsapparaat om de kinetische rekenergie voor menselijke gewrichten op te vangen.

een De schematische illustratie van de SPST. b Het fotobeeld van de SPST. c De uitrekkende schematische grafiek van de SPST bij de 100% stam. d De uitgangsspanning en e uitgangsstroom van de SPST bij de periodieke cycli van uitrekken en loslaten

Bovendien, aangezien het SPST-apparaat tijdens de daadwerkelijke menselijke bewegingen een contactscheidingsproces met andere kledingstoffen lijkt, werden de uitvoerprestaties met SPST-katoen tikken bereikt in het periodieke tikproces van de lineaire motor (figuur 4a). Het elektriciteitsopwekkingsmechanisme met SPST-katoen tikken is afgebeeld in figuur 4b. In de periodieke tapcycli vindt de contactscheidingsmodus plaats tussen katoen en de twee soorten materiaal buiten de SPST. De elektrostatische inductieladingen stromen dus tussen de elektroden van de SPST. Figuur 4c, d toont de nullastspanningen en kortsluitstromen onder de kracht van 100 N. Opmerkelijk is dat de nullastspanning van de SPST ongeveer 150 V is bij verschillende aftakfrequenties, die onafhankelijk is van de bedrijfsfrequentie. De kortsluitstromen van de SPST zijn echter ongeveer 0,96, 1,31, 1,55, 1,77 en 2,45 μA met frequenties van respectievelijk 0,5, 1, 1,5, 2 en 3 Hz. Dit komt omdat de tijd voor contactscheiding korter wordt naarmate hogere frequenties, zodat een gelijk aantal ladingen een grotere stroom veroorzaakt (Isc =dQsc/dt). Bovendien fungeerde de SPST als een energievoorzieningsapparaat dat in de praktijk meestal wordt aangesloten op de externe belasting. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 geeft de uitgangsspanningen weer als functie van externe belastingsweerstanden van 1 MΩ tot 1 GΩ. Het uitgangsvermogen van de SPST aangesloten op externe belastingen met verschillende niveaus kan worden verkregen, aangezien het uitgangsvermogen wordt gedefinieerd door U ² /R. Het is duidelijk dat het uitgangsvermogen eerst toeneemt en vervolgens afneemt, tot een maximale waarde van 163,3 μW wanneer de externe belastingsweerstand ongeveer 120 MΩ is. Bovendien werden de stabiliteitstests van de SPST uitgevoerd voor 10.000 cycli, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S2. Het is duidelijk dat de uitgangsspanning van de SPST niet is afgenomen in periodieke testcycli, waardoor de SPST een opmerkelijk lange levensduur heeft. De elektriciteit die wordt opgewekt door het tappen van SPST-katoen kan worden opgeslagen in de condensatoren om stroom te leveren voor draagbare elektronica. Figuur 4e laat zien dat de laadcurves van verschillende capaciteiten bij een frequentie van 3 Hz en een kracht van 100 N. De spanning van een 0,47 μF condensator kan worden opgeladen tot 14 V gedurende 150 s. Naarmate de capaciteit van de condensator toeneemt, duurt het langer om dezelfde hoge spanning te bereiken. Dankzij de uitstekende outputprestaties kan het SPST-katoenen apparaat direct LED's inschakelen en een commercieel elektrisch horloge van stroom voorzien door de elektrische energie die is opgeslagen in de condensator (Fig. 4f en aanvullend bestand 2:Video S1, S2). Deze resultaten tonen aan dat het SPST-apparaat elektrische energie kan leveren voor commerciële elektronica om de normale werking te behouden.

een De schematische weergave van het SPST-katoen tappen. b Het elektriciteitsopwekkingsmechanisme met SPST-katoen tappen. c De nullastspanningen en d kortsluitstromen bij SPST-katoen tappen bij verschillende tapfrequenties. e Gemeten spanningscurves van verschillende condensatoren met een frequentie van 3 Hz en een kracht van 100 N. f De LED's en het elektrische horloge werden aangedreven door het SPST-katoen apparaat

Omdat het rekbaar is en gemakkelijk in de meeste delen van het lichaam kan worden gemonteerd, kan de draadvormige TENG worden gebruikt als een actief draagbaar elektronisch apparaat voor het detecteren van lichaamsbewegingen. Zoals te zien is in Fig. 5a en Aanvullend bestand 2:Video S3, werd het SATT-apparaat gefixeerd op het indexcijfer van een onderwerp om te reageren op vijf buigende bewegingstoestanden. Het is duidelijk dat de uitgangsspanningspieken toenemen met de vergroting van de bewegingsamplitude, namelijk de uitgangsbewakingssignalen worden bepaald door de grootte van de strekbewegingen. Het gedrag bevestigt dat de SATT kan worden gebruikt als een zelfaangedreven actieve sensor zonder externe voeding om de bewegingstoestanden van de vinger kwantitatief te karakteriseren. Bovendien zijn de nullastspanningen van de SPST geweven door SCT- en SSCT-eenheden stabiel en onafhankelijk van de bedrijfsfrequentie, die zou kunnen worden gebruikt als uitgangssignalen van bewegingsbewaking. Zoals getoond in Fig. 5b, c, werd de SPST gefixeerd op de gewrichten van het menselijk lichaam om energie te oogsten en conditiebewaking uit te voeren. Wanneer het flexie- en extensiegedrag van elleboog en knie verschijnt, produceren de stretch-release-modus van SPST en de contact-separatiemodus van SPST-katoen, wat resulteert in de alternerende elektrische signalen die worden gegenereerd. Het is duidelijk dat het SPST-apparaat ruimschoots voldoet aan de eis over de elastische eigenschap voor slim textiel, en de uitgangsspanningen kunnen ongeveer 105 V en 116,9 V bereiken bij de maximale buighoeken van respectievelijk elleboog- en kniegewrichten. De uitgangsstromen van de respons zijn respectievelijk ongeveer 0,73 A en 0,89 μA. Bijgevolg biedt de zorgvuldig ontworpen SPST een veelbelovende voedingsmethode voor draagbare elektronica door de bewegingsenergie van lichaamsgewrichten op te vangen en zal het een uiterst belangrijke rol spelen bij de toepassingen van revalidatietraining en trackactiviteiten van patiënten.

een De SATT als een zelfaangedreven actieve sensor voor het detecteren van vingerbewegingen. b De SPST zit vast op de elleboog c de knie om energie te verzamelen en conditiebewaking uit te voeren