微米和纳米科技材料

科普 | 把纳米发电机穿在身上,动一动就来电!这位教授让“衣服”也能发电!

“衣服”动一下、皱一下也能发电?没错,“衣服就是器件,器件就是衣服”。

电子科技大学电子科学与工程学院张晓升教授课题组在几年前就做出了让人惊喜的成果:以编织物为器件基底材料,竟然可以把“衣服”做成“纳米发电机”,穿在身上动一下、皱一下都能发电,而且这种“衣服”穿起来很舒适。

他们与东华大学张青红教授课题组、瑞士洛桑联邦理工学院Juergen Brugger教授课题组合作提出了一种织物基可穿戴摩擦-压电复合纳米发电机(TPNG),不仅具有优良的输出性能,还能够对人体动作实现主动式检测。

智能织物是纳米器件由“可戴”飞跃为“可穿”的基石,也是学术界研究的热点。如今,张晓升教授课题组的研究为智能织物的发展带来的新思路,破解了此前智能发电织物难以兼顾功能性、穿戴舒适性和高性能输出的难题,为其在更广泛领域中的应用插上了翅膀。

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2016年张晓升教授在上海参加IEEE国际学术会议

“人体是一个巨大的能量宝库,吃饭、走路、伸懒腰、刷手机都会产生机械能和热能,我们的梦想就是把这些以前白白浪费掉的能量采集起来。”张晓升教授说:“如今,我们把纳米能量采集器件做成衣服,这个梦想终于成了现实,而且发展潜力十分可观!”

首次用蚕丝蛋白织“衣服”

让智能织物真正具备柔软丝滑的质感

“可穿戴设备”是一个诱人的新兴研究领域。当摩擦/压电纳米发电机问世之后,如何从人体这座能源“宝库”中采集生物机械能,成为了学术界研究的热点。而要最大限度地采集人体的能量,就需要最大限度地让微纳能量采集器件覆盖人的全身。

“显然,要达到这个目的,把纳米发电机做成衣服穿在身上是最好的选择,这样就可以让全身都来发电,要比仅仅在人体局部地方采集能量的效果好得多。”问题在于,目前常用的所谓柔性纳米基底材料存在一个致命的缺点:依然比较硬,与实际用户体验需求存在很大差距,能量采集的效果与器件穿戴的舒适性之间存在着很大的矛盾,很难兼顾。

有没有可能找到全纤维的织物基底材料呢?当然有,而且是现成的。蚕丝质轻而细长、柔软而滑爽,穿在身上舒适透气,而且纯天然、可降解、对人体无害,显然是绝佳的选择。实际上,材料学家早就掌握了提取蚕丝蛋白制成纳米薄膜或纳米线的技术。

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洁白的蚕茧和透明的蚕丝蛋白薄膜

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可以穿戴、十分柔滑的智能织物

制作蚕丝蛋白薄膜的原理和造纸术十分类似,在实验室很容易重复。材料学家把蚕丝蛋白溶液涂抹到材料上,干了以后取下来,便可得到一张张薄膜,然后根据需求可以任意裁切成各种形状。这种薄膜完全透明,十分轻巧且富有韧性。以此为基底制作纳米发电机,根本不怕折,甚至可以揉搓。

蚕丝蛋白还有一个好处,就是厚度和可降解程度都可以比较精准地调控。“我们可以让它能够迅速降解,也可以让它永久不溶解地存在——当然我们并不会这样做。”张晓升教授说,把蚕丝蛋白材料做成可降解的基底材料,将会使智能织物产业实现彻底的“绿色革命”。

正是这样一层薄薄的纳米薄膜,做上电极就可以发电了。要单面就做单面,要双面就做双面。张晓升教授团队分别把两片薄膜贴在两方塑料板上,轻轻将塑料板擦一下、压一下或折一下,就会产生电流脉冲,可以点亮一个电子手表的显示屏。

据介绍,如果做成单面的纳米发电薄膜贴到手机屏幕上,手指划动屏幕时就可以发电。普通人每天使用手机触摸屏幕的次数大概为2600次,年轻人玩手机的时间和次数就更多了。更神奇的是,“即便把手机放在口袋里,屏幕和衣服之间的摩擦也能产生很可观的电量”。

当然,张晓升教授团队并不会满足于此。蚕丝蛋白既然可以做成薄膜,当然也可以切成丝线。他们干脆把蚕丝蛋白制成纳米线,然后与一种压电纤维——聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维一起织成了“布”,构成了可穿戴摩擦-压电复合纳米发电机,做成了可以发电的“衣服”。

这是继国际上首次把蚕丝蛋白引入摩擦纳米发电机领域之后,张晓升教授团队在这一热点方向上所取得的又一重要研究进展,或将对穿戴式纳米发电机的发展带来里程碑式的影响。

“此前,材料学家对蚕丝蛋白的光学、热学特性进行过研究,但对它的电学性能还没有深入的认识,”张晓升教授谦虚地说,“我们做的工作,只是把蚕丝蛋白这种现成的材料跨领域借用了过来,做成了纳米能源采集器件而已。”

把“摩擦”和“压电”相结合

为纳米发电机持续发电加上“双保险”

把纳米发电机“穿”在身上只是实现梦想的第一步。另一个重要问题是:如何让纳米发电机的发电量更大、发电更持久呢?要知道,纳米发电机发明的初衷就是为了让纳米器件在没有电池的情况下“自力更生”,即能够自己从环境中采集能量,实现纳米器件的“自供能”。

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(a)为全纤维织物基可穿戴摩擦-压电复合纳米发电机示意图;(b,c)为 蚕丝蛋白、聚偏氟乙烯纳米纤维电镜图;(d

“想象一下,我把一堆微型传感器洒到大地、天空、海洋或者安装在室内,这些传感器很小,不可能每个都装上电池,即便有电池,怎么续航也是个问题。”张晓升教授说,“我们可能会想到太阳能、风能等能源供给方式,但阴天怎么办?没有风怎么办?”

那么,摩擦纳米发电机或压电纳米发电机可以解决“自供能”难题吗?据报道,这两种纳米发电机可以收集机械能(如肌肉收缩、血管舒张)、震动能(如声波震动)、流体能量(如风能、液体流动)并将这些能量转化为电能,为纳米器件或系统提供足够的能量供给。

但目前的纳米发电机还需要解决两个关键问题:一方面,能量输出的功率可以更大吗?另一方面,可以确保持续供电吗?“单一某种纳米发电机,比如摩擦纳米发电机或者压电纳米发电机,都没法确保不间断供电。摩擦的时候有电,不摩擦的时候就没电了。”张晓升教授说,“但我们可以考虑把这两种发电机结合起来,既可以相互替补,也可以相互携手。”

这是一种创造性的思路。据介绍,得益于聚偏氟乙烯优良的压电特性,张晓升教授团队通过对器件工作机理的深入理论分析,优化了摩擦电和压电的相互关系,研制了“摩擦-压电复合纳米发电机”,得到相互增强的输出性能。

该发电机具有两种工作模式——分离模式和集成模式。实验表明,在分离模式中,其最高的输出电压、电流和功率分别达到500V、12μA和0.31mW/cm²;在集成模式时,它可以穿在身上,对人体不同的动作输出不同的电信号,达到人体动作识别的目的。

0.31mW/cm²的功率是什么概念呢?张晓升教授简单算了一笔账:如果一件衣服的面积是1m²,那么穿上这件“衣服”最大可以输出3.1W的功率。这个功率对纳米器件来说已经绰绰有余了。而且,其供电的持续性得到了很好的优化。

“人体是一个能源宝库,每个人每天产生的生物机械能非常多,如果能够把这些能量利用起来,哪怕转化效率只有20%,也足以给可穿戴智能设备的供电了。”张晓升教授说。

把发电的过程“倒过来”

不同电流脉冲可以“识别”不同人体动作

“我们现在看到的许多可穿戴手表,它的屏幕在绝大部分时间都是黑的,为什么呢?这是因为能量不够,系统自动进入休眠省电状态了。”张晓升教授进一步说到,“我们所研发的这种发电机可以解决很多类似的问题,让智能穿戴设备或纳米器件不用休眠了!”

当然,“摩擦-压电复合纳米发电机”的应用不止于供电。一个新奇的思路就是,既然发电机在不同强度的摩擦或压力下会产生不同大小和脉冲的电流,那么,不同的电流和脉冲也就对应着不同的摩擦或压力。换句话说,它从外界环境中采集能量,而能量的变化反过来可以反映外部环境的物理量变化。

经过深入研究,张晓升教授团队可以根据电流的变化,检测引起摩擦或压力变化的各种物理量,包括加速度、温度、湿度等等。为了更加通俗地向别人介绍这种发电机的妙处,他们制作了一个能够识别人体动作的装置。

“人的不同动作、不同强度的运动,可以产生不同的电信号。比如说,不小心摔倒时,电压、电流等输出就会猛然增大。我们根据这个变化,就可以判断有人摔倒了。”张晓升教授说,许多老年人在摔倒后很难有效求救,但如果穿上这种“衣服”,子女可以通过APP及时收到“求救”信号。

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有人也许或质疑,运动幅度大一点或被撞击也会产生较大的脉冲,怎么区别一个人是在跑步还是摔倒了呢?其实,张晓升教授团队已经考虑到了这种情况,他们根据人们日常的动作强度测量了不同的输出数据,并设置了一个非常小的电压阈值“微米开关”,只要没有达到阈值,就不会“谎报军情”啦!

可以穿在身上的“摩擦-压电复合纳米发电机”具有广阔的应用前景。张晓升教授介绍,目前团队正在基础理论研究方面下大功夫,同时兼顾应用研究。只要把原理搞清楚,就会为未来的产业应用研究铺平道路。他说,目前的工作实际上是“抛砖引玉”,希望更多的学者加入研究队伍,取得更大的成果。

论文链接:

(1)

题目:《Printed Silk-Fibroin-Based Triboelectric Nanogenerators for Multi-Functional Wearable Sensing》

网址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519308304

(2)

题目:《Self-Powered Smart Active RFID Tag Integrated with Wearable Hybrid Nanogenerator》

网址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519306184

(3)

题目:《All-fiber hybrid piezoelectric-enhanced triboelectric nanogenerator for wearable gesture monitoring》

网址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518301721

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