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一種基于摩擦納米發電機的可呼吸、可生物降解、抗菌和自供電的全納米纖維電子皮膚

發表時間:2020/8/25

人體皮膚作為人體最大的器官,不僅具有保護、分泌和呼吸的基本功能,而且還是人類與物質世界相互作用和交流的重要體感系統。近年來,仿生電子皮膚的開發已經激起了科研人員的極大興趣,其在可穿戴個人健康監測、智能假肢和機器人、人機交互和人工智能等領域有著廣泛的應用。

基于不同的物理傳感機制,電子皮膚可以分為壓阻、電容、壓電和摩擦電等類型。電子皮膚能夠檢測和量化多種環境刺激,包括溫度、濕度、壓力、振動和觸覺,并將其轉化為實時和可視化的電子脈沖。摩擦納米發電機是一種利用接觸起電與靜電感應的耦合效應,將普遍存在的機械能轉化為寶貴電能的新型能量獲取技術,具有成本低、結構簡單、使用方便、材料選擇多樣、轉換效率高等優點,在可穿戴電源和自供電傳感領域具有廣闊的應用前景,是能源自主式電子皮膚的理想選擇。

柔性、可拉伸性、靈敏性、適應性、機械耐久性是目前電子皮膚最常見的研究方向,也是比較容易實現的。近年來,為了提高電子皮膚的綜合性能,電子皮膚的可回收性、自愈性、形狀記憶性、電致發光、機械發光等特殊功能逐漸被研究。盡管上述方面不斷優化和完善,但電子皮膚的舒適性、安全性和環保性一直被忽視,這在很大程度上阻礙了電子皮膚的實際應用。因此,具有理想的舒適性和實用性的電子皮膚必須具有透氣性、生物降解性和抗菌性。透氣性是調節熱濕平衡,實現人體與外界環境氣體交換的重要性能。然而,大多數高性能的電子皮膚都是以膜作為電極或基質,這可能會導致皮膚不適,甚至引發炎癥和瘙癢。此外,電子皮膚與人體皮膚的長期接觸,是微生物生長的良好媒介,因此抗菌特性是電子皮膚抑制細菌生長、預防細菌感染的重要性能。此外,大部分材料都不是一次性的,在使用壽命結束時,可能會變成電子垃圾,甚至危害人體或污染環境。

近日,中科院北京納米能源與系統研究所研究團隊設計了一種基于摩擦納米發電機的透氣可降解抗菌自供電的全納米纖維電子皮膚,實現了機械能收集和人體全身生理和關節運動信號自驅動傳感。通過將聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)和聚乙烯醇(PVA)納米纖維膜分別作為起電層和基底,銀納米線(AgNW)作為中間層,形成了具有多層交錯納米纖維網絡和眾多三維微納孔洞結構的基于摩擦納米發電機的電子皮膚,有利于人體皮膚與外界環境的熱濕傳遞。同時,該電子皮膚具有非常好的抗菌性能,能夠有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長,阻止細菌感染。通過改變生物可降解材料PLGA和PVA的尺寸及搭配,該電子皮膚的降解周期可以調節為幾天到數周。此外,該電子皮膚的最大輸出功能為130 mW /m2、電壓響應靈敏度為0.011 kPa-1,可以實現人體全身生理信號(如微表情、脈搏、呼吸和發聲)和關節運動(如指關節、手肘、膝蓋和腳踝)的實時非侵害自供電監測。這項工作為開發實用性的多功能電子皮膚提供了前所未有的研究策略。該成果以“A breathable, biodegradable, antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectric nanogenerators” 為題發表在Science Advances上。


基于摩擦納米發電機的全納米纖維電子皮膚的結構設計和成分特征


拉伸性,透氣性和電輸出性能表征


抗菌性和可降解性能表征


全身生理信號和關節運動監測


Science Advances (IF:12.804) Pub Date :2020-06-26,

DOI: 10.1126/sciadv.aba9624


(來源:摩擦納米發電機TENG)

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