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可穿戴设备黑科技！“私人定制”摩擦纳米发电机: nanomicrolett 2019-5-19 15:20; Spiral Steel Wire Based Fiber-shaped Stretchable and Tailorable Triboelectric Nanogenerator for Wearable Power Source and Active Gesture Sensor Lingjie Xie, Xiaoping Chen, Zhen Wen*, Yanqin Yang, Jihong Shi, Chen Chen, Mingfa Peng, Yina Liu, Xuhui Sun* Nano-Micro Lett. (2019) 11: 39 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0271-3 本文亮点 1 由于钢丝电极的坚固性、连续导电性和螺旋的几何结构设计，FST-TENG（Fiber-shaped stretchable and Tailorable Triboelectric nanogenerator,简写为FST-TENG）具有高稳定性和可拉伸性，甚至可以定制成所需结构。 2 通过将FST-TENG编织成为穿戴在人体上的衣物或佩戴手腕的手环，可以收集人体机械运动的能量。 3 FST-TENG也可以应用在智能手套上，以监控手势的动作，具体表现为可识别单个手指的弯曲、不同的弯曲角度和弯曲手指的数量。内容简介由于不同功能层的杨氏模量不匹配，连续变形总是导致柔性摩擦纳米发电机的性能下降。 👇 苏州大学孙旭辉课题组巧妙选择具有几何结构设计的钢丝作为电极和硅橡胶作为摩擦起电层，制造了一种纤维状的可拉伸和可定制的摩擦纳米发电机（FST-TENG）。由于钢丝电极的坚固性、连续导电性，FST-TENG具有高稳定性和可拉伸性，甚至可以根据用户需求定制成所需结构。通过将几个FST-TENG编织成佩戴在人体上的织物或佩戴在手腕上的手环，它能够收集人体运动能量，然后驱动可穿戴电子设备。最后，它还可以应用在智能手套上，以监控手势，通过分析电压信号可以识别每个单指的弯曲，不同的弯曲角度和弯曲的手指数量。图文导读 FST-TENG 的制备及其力学性能基于螺旋钢线的纤维状柔性可拉伸TENG选用高杨氏模量的钢线，通过几何结构设计成螺旋状电极，与弹性基体——有机硅橡胶混合，解决摩擦材料与电极材料杨氏模量不匹配而造成输出不稳定的问题。制备出的纤维状的柔性可拉伸TENG (FST-TENG)可实现在不影响性能的情况下弯曲、成结，同时具有可剪裁性。图1 螺旋形钢丝电极可伸缩可定制摩擦电动纳米发电机(FST-TENG)的原理图和力学性能。(a) FST-TENG的制造工艺；(b)横截面的光学显微镜图像；(c) FST-TENG直径； FST-TENG在不同状态下，如(d)弯曲、(e)打结和(f)可裁剪。 👇 FST- TENG的性能及用于收集人体运动机械能人体在日常生活中，除了行走踩踏地面可产生机械能，同时存在关节或者衣物发生拉伸、扭转、敲击、摩擦而产生不规则的机械能。 FST-TENG因其纤维状且细小的几何构型，可编织成织物或者手环，收集人体不规则活动的机械能，作为可穿戴电源。如图4所示，12根FST-TENG编织出来的织物可点亮15个1.8-2.0 V 的LED小灯泡。其开路电压和转移电荷量分别达到121.8 V和 45.8 nC，短路电流随着外力作用频率的增加，从0.87 μA增加到3.23 μA。该织物在频率为2.5 Hz的拍击下，只需68 s可将一个商用电容器充到2 V，来驱动电子手表工作。图4基于FST-TENG的织物作为可穿戴电源。(a)该织物可通过手动轻拍点亮15个绿色led灯。(b)在0.5至2.5 Hz的不同运动频率下的电输出。(c) FST-TENG织物在不同运动频率收集机械能给电容器充电的曲线。 👇 FST-TENG作为主动式手势传感器应用于手势判别 FST-TENG对低频运动具有较高的灵敏度和快速响应/恢复时间，可作为主动生理运动和人机界面传感器。当将其构造成智能手套时，它可以应用在手势感知中，实时电压可以反映出测试者的不同手部动作，包括手指的弯曲程度，不同手指以及一些数字手势的识别。图5 FST-TENGs编织在智能手套上作为主动手势传感器。(a)智能手套照片及操作方式演示；(b)不同手指弯曲程度下的照片及相应 V oc ；(c)五个手指依次弯曲的信号；(d)代表“1”，“2”，“3”，“4”，“5”手势的电压信号。作者简介孙旭辉（本文通讯作者）特聘教授，博士生导师苏州大学功能纳米与软物质研究院副院长研究团队目前主要致力于纳米材料和纳米功能器件及其在电子信息、新能源和化学传感器方面的研究，以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用研究。现已在SCI收录国际期刊上发表论文180余篇，他引4000余次，H-index 38。撰写英文书(章节)5章。申请中国、美国专利50余项。担任多个国际期刊和会议的审稿人和评委，国际杂志IEEE Transaction on Nanotechnology副主编，国际材料学会、国际电子电工学会、国际X射线吸收学会会员，以及国家同步辐射实验室用户委员会委员、上海光源用户委员会委员。 E-mail:xhsun@suda.edu.cn 文震（本文通讯作者）副研究员，硕士生导师苏州大学功能纳米与软物质研究院主要研究领域： ① 柔性摩擦纳米发电机关键材料的制备及性能研究；② 基于摩擦纳米发电机的自供电能源系统研究；③ 基于摩擦纳米发电机的自驱动传感技术研究；④ 摩擦纳米发电机的高电压输出应用研究。现已在SCI收录国际期刊上发表论文60余篇，他引超过3100次，H-index 34，并已申请中国、美国发明专利20余项。目前担任国际杂志Electronics Letters副主编。 E-mail: wenzhen2011@suda.edu.cn 相关阅读纳米发电机 ·往期回顾 👇 综述：基于纳米发电机的自充电储能器件孙旭辉教授团队热点论文!综述：纳米发电机助力自供电气体传感综述：纳米发电机助力自供电气体传感关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624; 4987 次阅读|0 个评论

最新成果：自驱动非接触式智能手套: 张海霞 2018-9-29 16:23; 智能手套作为一种在人机交互界面以及便携式电子产品领域应用前景极大的新型器件，近年来受到国内外学术界和工业界的广泛关注。现有手势识别传感器大多依靠集成压力传感元件的方式实现接触式手势识别，或通过拉伸传感单元实现弯曲识别。这不仅使识别准确度受制于传感单元个数，更导致智能手套的交互体验难以提升。近日，北京大学信息科学技术学院张海霞教授课题组研制出一种新型的基于织物的自驱动非接触式智能手套。它结合摩擦起电原理与空间静电感应效应，利用四个电极即可达到 0.48 mm 的平均一维分辨率。与此同时，该智能手套能够检测垂直距离不超过 5 cm 的带电体在感应电极传感范围内的运动，因此实现了非接触式手势识别。相关研究成果以《应用于手势识别的基于织物的自驱动非接触式智能手套》（ Fabric-Based Self-Powered Noncontact Smart Gloves for Gesture Recognition ）为题，于 2018 年 9 月被材料科学领域重要期刊《材料化学期刊 A 》（ Journal of Materials Chemistry A ）接收；信息学院 2014 级本科生吴瀚翔为第一作者，张海霞教授为通讯作者。不同于传统智能手套基于传感单元阵列实现对于压力、拉伸等物理量的数字式传感，该模拟智能手套利用预起电过程中积累于带电体表面的电荷，根据空间位移造成的静电势变化在电极上所产生的感应电流，通过计算多个电极电压的相对大小实现双方向一维位移的定位。由于利用摩擦表面自主产生的摩擦电荷，该智能手套实现了完全的自驱动传感；又由于模拟定位方法的运用，只需四个电极即可实现一维高精度定位，相较于传统数字式传感器极大降低了电极数量；空间静电感应原理使得目标物体的位移可脱离智能手套所在平面，解决了压力传感器带来的交互体验不足，以及拉伸传感器阻碍手势等问题。该智能手套通过使用聚二甲基硅氧烷（ PDMS ）包覆的纤维织物作为摩擦面，提高了电荷密度和信噪比；此外，使用浸涂碳纳米管（ CNT ）的棉布作为感应电极，使智能手套全部基于织物，因此具有良好的柔性与皮肤适应性。上述研究工作得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持，在解决智能手套的供能问题、增强手势识别传感器的分辨率以及增加作为人机交互界面的使用体验方面取得了重要突破。【备注】这是吴瀚翔同学的第三篇大论文（Nano Energy 32 (2017) 479-487，10.1016/j.nanoen.2017.01.008；Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704641, DOI:10.1002/adfm.201704641；Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA08276F），做为一个本科生真的是很优秀，热烈祝贺！; 个人分类: 科研心得|3430 次阅读|0 个评论

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