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  作為新型能源收集裝置，摩擦納米發(fā)電機(jī)憑借著質(zhì)量輕、成本低、選材方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在柔性可穿戴領(lǐng)域成為了科研人員的研究熱點(diǎn)。近來(lái)，關(guān)于柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的報(bào)道層出不窮，但在適應(yīng)人體穿戴方面，除了簡(jiǎn)單柔性的要求，拉伸性和美觀度也相當(dāng)重要。此外，將摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦起電機(jī)制用于可穿戴自驅(qū)動(dòng)傳感的研究也同樣受到科研人員的關(guān)注。因此，將摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量收集功能與傳感器的傳感監(jiān)測(cè)功能集合到同一器件上，制備多功能可穿戴設(shè)備，更值得科研人員的深入研究。

  近日，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院（FUNSOM）孫旭輝教授課題組提出了一種基于褶皺結(jié)構(gòu)PEDOT：PSS薄膜電極的可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)（WP-TENG）及自驅(qū)動(dòng)觸覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該WP-TENG利用彈性PDMS作為器件的摩擦材料，用褶皺狀的PEDOT：PSS薄膜作為器件的電極材料，由此制得的透明可拉伸器件同時(shí)具備收集生物機(jī)械能，觸覺(jué)傳感器和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能。

圖1. （a）器件的制備過(guò)程圖，（b）褶皺狀PEDOT:PSS導(dǎo)電膜，（c）不同厚度導(dǎo)電膜光透過(guò)率，（d）該導(dǎo)電膜在不同拉伸條件下方阻

  該WP-TENG通過(guò)預(yù)拉伸彈性PDMS膜作為摩擦層，再旋涂導(dǎo)電高分子PEDOT:PSS薄膜作為電極層，釋放拉伸后形成褶皺狀可拉伸器件。該褶皺狀電極的透明度可根據(jù)刮涂的層數(shù)不同而發(fā)生改變，最佳透光率可達(dá)到90%。經(jīng)測(cè)試，拉伸應(yīng)變從0變化到100%的過(guò)程中，褶皺狀電極的方阻可從1.40增大到4.63 kΩ/□，而同等拉伸情況下無(wú)褶皺的薄膜會(huì)增大到22.9 kΩ/□，因此，該褶皺設(shè)計(jì)增強(qiáng)了薄膜在拉伸過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖2.（a）WP-TENG的器件實(shí)物圖，（b）WP-TENG的發(fā)電機(jī)理圖，（c）WP-TENG的電輸出圖，（d）WP-TENG使用時(shí)的電路示意圖，（e）WP-TENG在手拍的運(yùn)動(dòng)條件下的充放電曲線圖，（f）WP-TENG將電能存儲(chǔ)于電容器后驅(qū)動(dòng)電子手表的照片。

  作為生物機(jī)械能收集裝置，WP-TENG可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在單電極的工作模式下，該透明可拉伸WP-TENG可以輸出180.1 V的開(kāi)路電壓，75.3 nC的轉(zhuǎn)移電荷量，22.6 μA的最大短路電流。因此，基于其優(yōu)異的電輸出，研究者們將此器件用于收集人體運(yùn)動(dòng)（如手的拍擊）所產(chǎn)生的機(jī)械能。通過(guò)一定的電路設(shè)計(jì)，WP-TENG產(chǎn)生的交流電可以在整流之后存儲(chǔ)于電容器中，實(shí)現(xiàn)直流電流驅(qū)動(dòng)可穿戴電子設(shè)備（便攜式電子表）。

圖3.（a）輸出電壓峰值和接觸壓強(qiáng)之間的關(guān)系，（b）一個(gè)手指尖不斷增大壓強(qiáng)來(lái)按壓1像素的傳感陣列輸出電壓，（c）3×3像素的觸覺(jué)傳感器實(shí)物圖，（d）安裝在手臂肌肉上的自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感器用于檢測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及電輸出，（e）固定在肘部的自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感器用于監(jiān)測(cè)肘關(guān)節(jié)的彎曲振幅及電輸出，（f）固定在肘部的自驅(qū)動(dòng)傳感器用于檢測(cè)肘關(guān)節(jié)的彎曲頻率及電輸出。

  研究者們還將該WP-TENG放置于人體皮膚表面作為曲面電子器件，用于觸覺(jué)及人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的自驅(qū)動(dòng)傳感器。摩擦起電機(jī)制使得該WP-TENG在沒(méi)有外部電源的情況下可實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)的觸覺(jué)傳感。在壓強(qiáng)范圍從2到60kPa內(nèi)，傳感器具有高靈敏度，并且本工作中組裝的3像素×3像素的觸覺(jué)傳感器陣列可用于映射記錄對(duì)象的觸摸位置或與傳感器接觸的物體的形狀。此外，它不僅可以記錄簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)（如肌肉的起伏），也可以通過(guò)輸出電壓的峰值大小和峰的個(gè)數(shù)來(lái)判斷關(guān)節(jié)彎曲的頻率和角度。

  這三個(gè)應(yīng)用使得本工作提出的可拉伸透明WP-TENG在人機(jī)界面、柔性機(jī)器人、功能顯示、可穿戴電子、智能衣等領(lǐng)域均表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2018, 1803684）上。論文的第一作者為助理研究員文震博士, 共同第一作者為碩士生楊艷琴，通訊作者為孫旭輝教授和文震博士。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803684