Uitrekbare all‑rubber draad‑vormige tribo‑elektrische nanogeneratoren voor zelf‑gevoede draagbare energie‑opwekking en biomechanische tracking

Methoden

Fabricatie van de SCT

Zilver‑gecoate glazen microsferen (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., China) werden gemengd met vast siliconenrubber (TN‑920) bij een gewichtsverhouding van 3:1 gedurende 1,5 uur. Het mengsel werd geëxtrudeerd en gevulcaniseerd bij 110 °C met een schroef‑extrusiemachine, wat een 1 mm‑diameter geleidende draad produceerde. Vijf dergelijke draden werden samen gewikkeld, en hun uiteinden werden gecoat met een siliconenrubber‑mengsel (Ecoflex 00‑30 en hardener, 1:1) en gecureerd onder vacuüm (20 min) en 80 °C (2 uur). De resulterende SCT vertoonde uitstekende uitrekbaarheid en geleiding.

Fabricatie van de SSCT

De SCT werd in een 4 mm‑diameter vorm geplaatst, en een siliconenrubber‑mengsel (Ecoflex 00‑30 + hardener) geïnjecteerd. Na ontluchting en verwarmen werd de SSCT gedemould, wat een volledig geencapsuleerde tribo‑elektrische partner opleverde.

Meet‑systeem

Scanning‑elektronenmicroscopie (SEM) werd uitgevoerd met een ZEISS EVO18 (Carl Zeiss Jena, Duitsland). Elektrische outputs werden vastgelegd met een KEITHLEY 2611B electrometer.

Resultaten en discussie

De SATT integreert twee dubbele‑helix all‑rubber draden: de SCT, met uniform gedispergeerde zilver‑gecoate glazen microsferen, en de SSCT, een siliconenrubber‑gecoate SCT. Fabricage‑details zijn getoond in Fig. 1a. De hoge‑belasting siliconen‑matrix zorgt voor uitstekende mechanische compatibiliteit, terwijl de ingebedde microsferen een 3‑D geleidend netwerk vormen, wat de SCT hoge geleiding en uitrekbaarheid geeft. SEM‑beelden (Fig. 1b–f) bevestigen de afwezigheid van gaten tussen de geleidende kern en siliconen‑coating, en de algehele structuur (Fig. 1g) kan gerekt worden tot ~100 % rek – ver boven eerdere draad‑vormige TENGs.

Electrisch gedraagt de SATT zich als een serie condensatoren in parallel. Wanneer gerekt, scheiden het siliconen‑oppervlak en de geleidende kern, wat een potentiaalverschil creëert dat elektronen door het externe circuit drijft. Het vrijgeven van de rek keert de stroom om, wat een volledige cyclus van ladingsoverdracht voltooit.

Elementen‑analyse met COMSOL (Fig. 2b) valideert dit mechanisme: het potentiaalverschil neemt lineair toe met de toegepaste trek‑kracht. De SCT‑weerstand blijft stabiel tot 50 % rek, maar stijgt matig bij hogere rekkingen; het incorporeren van vijf verweven geleidende draden verzacht dit effect (Fig. 2c‑d). Trek‑duurzaamheidstesten tonen aan dat de SCT prestaties behoudt over 10.000 cycli bij 100 % rek (Fig. 2e). De elektrische output schaalt met het aantal geleidende draden: een 5 cm SATT bereikt 3,82 V (open‑circuit) en 65,8 nA (kortsluit) bij 100 % rek (Fig. 2f‑g). Reactie‑ en hersteltijden bij 1 Hz zijn 48 ms en 220 ms respectievelijk, wat geschiktheid als zelf‑gevoede bewegingssensor aangeeft.

Om deze capaciteit in een textiel te vertalen, weefden we SCT en SSCT eenheden in een plat‑weef zelf‑gevoede slimme textiel (SPST, 5 × 7 cm²) (Fig. 3a‑b). Wanneer gerekt tot 100 % rek, genereert de SPST 8,1 V en 0,42 µA (Fig. 3d‑e). Tijdens contact‑scheiding met katoen produceert de SPST tot 150 V en 2,45 µA bij 100 N (Fig. 4c‑d). Vermogensoutput piekt bij 163,3 µW onder een 120 MΩ last (Fig. 4e). Stabiliteitstesten over 10.000 cycli tonen geen spanningsdegradatie (Fig. S2). Condensator‑ooplader‑experimenten tonen aan dat een 0,47 µF condensator 14 V bereikt in 150 s, wat de SPST in staat stelt LEDs en een commerciële horloge aan te drijven (Fig. 4f).

Functionele tests bevestigen de SATT's vermogen om te fungeren als zelf‑gevoede actieve sensor. Wanneer bevestigd aan een vinger, produceert het apparaat duidelijke spanningspieken corresponderend met buig‑statussen (Fig. 5a). De SPST, wanneer aangebracht op elleboog‑ en kniegewrichten, levert 105 V–116,9 V en 0,73 µA–0,89 µA tijdens buigen/strekken, wat het potentieel voor revalidatie‑monitoring en activiteit‑tracking illustreert (Fig. 5b‑c).

Conclusie

We hebben een volledig rubber‑gebaseerde, dubbele‑helix draad‑vormige TENG ontwikkeld die 100 % rek bereikt, mechanische energie omzet in elektrische stroom en fungeert als zelf‑gevoede sensor voor vinger‑ en gewrichtsbeweging. Geweven in een plat‑weef textiel levert het apparaat 8,1 V/0,42 µA onder rek en 150 V/2,45 µA tijdens contact‑scheiding, met een maximum vermogen van 163,3 µW. Deze robuuste outputs stellen de SPST in staat commerciële elektronica aan te drijven, biomechanische energie op te wekken en toekomstige medische en slimme‑tracking toepassingen te ondersteunen.