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近年来，电子皮肤因其卓越的机械性能和各种传感能力而受到全世界的关注。它们能将身体运动的机械能转换为电信号，在临床医学、生物传感和人机交互等领域展现出潜在的应用。当前，电子皮肤通常需要有线供电或由硬电池供电，导致其便携性和舒适性差。最近，摩擦纳米发电机（TENG）已被证实具有优越的发电性能，不旦可以作为传感器，还可以作为电源，这使其成为用于开发自供电电子皮肤的首选。然而，当前报道的TENG通常面临着对皮肤的粘附性差以及厚重等缺点。
香港城市大学于欣格助理教授、大连理工大学解兆谦教授等人报道了一系列图案可设计的超薄柔性电子纹身（TL-TENG）。该TL-TENG采用了超薄材料和最先进的表皮电子加工技术，呈现出优异的机械性能，并且仅有数十微米的厚度。此外，TL-TENG展现出卓越的电气特性，在连续的拍打下(≈16 kPa)，其开路电压和短路电流可分别达到≈180 V和≈2.2 μA。凭借良好的结构力学设计，TL-TENG可以定制成各种纹身图案。该TL-TENG在能量收集和人机界面应用上的演示证明其在下一代电子皮肤和物联网领域具有巨大潜力。该研究以题为“Triboelectric Nanogenerator Tattoos Enabled by Epidermal Electronic Technologies”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【TL-TENG的构成与性能】
作者报道了一种超薄、柔性且可拉伸的电子纹身 (TL-TENG) 用于从日常活动中收集能量。TL-TENG具有逐层结构，从上到下依次为封装层聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺（PI）、铜、PI和粘附层液体绷带。在这种夹层结构中，铜线在变形过程中得到了很好的保护，其中大部分施加的压力由PI层承担，以此可以提高器件的整体稳定性。TL-TENG采用先进的表皮电子加工技术，具有超薄的厚度和优异的电气性能。其能在16 kPa的数百次加压循环下，展现出稳定的电输出性能，开路电压和短路电流可分别达到≈180 V和≈2.2 μA。此外，TL-TENG的金属图案具有高度灵活性，可按要求进行设计，例如作者所展示的十二生肖图案。
图1 TL-TENG的构成
图2 十二生肖图案的TL-TENG
【不同运动下的电气性能】
在运动过程中，人的衣物能和TL-TENG产生相互摩擦，从而收集机械能并转化为电能。作者进行了步行、跑步、跳跃、蹲下和蹲跳，以测试TL-TENG在不同身体部位的工作性能。结果表明，所有运动都会产生电信号，输出强度与运动强度成正比。其中蹲下显示最小电压 (≈1.2 V) 和电流 (≈0.05 µA)，而蹲跳显示出最高的电压 (≈5.4 V) 和电流 (≈0.55 µA)，这证明TL-TENG可以应用于不同的身体部位，并在不同的运动过程中将机械能转化为电能。作者还通过改变环境的湿度和温度，来证明TL-TENG能够在各种周围环境下稳定运行。此外，作者还进行了耐久性实验，当人持续步行约12.5分钟，TL-TENG的输出电压在整个实验过程中都能保持稳定。因此，具备如此高的通用性、稳定性和耐久性的TL-TENG在能量收集领域具有巨大潜力，可以放置在不同的身体部位进行能量收集。
图3 TL-TENG在不同运动动作下的电气性能
【TL-TENG的各类应用】
通过点亮LED灯以及为电容器充电，作者证明了TL-TENG能将收集的机械能有效转化为电能的能力。于是，作者进一步将TL-TENG应用于人机界面中的控制系统。箭头状的TL-TENG被设计和用于小型电动汽车的遥控器，用户可以点击相应的箭头来控制遥控车。以Arduino作为微控制器，通过蓝牙发送指令，用户可以无线控制遥控电动车，只需在手臂上点击箭头的不同方向，就可实现驱动遥控车向相应的方向移动。这结果表明，TL-TENG可以响应手指的按压，从而构成了一个简单的控制系统。因此，这种TL-TENG在能量收集和人机界面等应用上展示了巨大的潜力，为精致的可穿戴电子产品提供了一种新的途径。
图4 TL-TENG在能量收集和人机界面中的演示
总结：作者报道了一种超薄、柔性的TL-TENG用于机械能量收集和人机界面。该TL-TENG展现出优异且稳定的机械性能，以及出色的电输出性能，其最大输出电压和电流分别为≈180 V和≈2.2 µA。此外，除了用于能量收集，TL-TENG还可以作为遥控车的控制面板。结合Arduino程序和蓝牙，作者实现了无线控制遥控车进行移动和转弯。这些应用演示证实了该TL-TENG在人机界面应用中的巨大潜力。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111269
来源：高分子科学前沿
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