Hoch dehnbare fadenförmige tragbare Elektronik auf Vollgummibasis für die Energiegewinnung durch menschliche Bewegungen und biomechanisches Tracking mit eigener Stromversorgung

Einführung

Tragbare Elektronik mit Komfort, Weichheit und Atmungsaktivität, die in Textilien oder Kleidung integriert ist, wird in vielen Bereichen eingesetzt, wie z. 7, 8], Militär und Unterhaltungselektronik [9,10,11], die die perfekte Verkörperung des technologischen Booms darstellt und viele Annehmlichkeiten und Vorteile in unser Leben bringt. Um diese tragbare Elektronik mit Strom zu versorgen, ist es jedoch schwierig, ihren Energiebedarf herkömmlicher Batterien und Superkondensatoren aufgrund der technischen Engpässe der strukturellen Steifigkeit, begrenzten Lebensdauer, des zusätzlichen Gerätegewichts und der Umweltverschmutzung zu decken. Folglich ist es ein dringendes Problem, eine neue nachhaltige Stromversorgung für tragbare Elektronik zu erforschen. Für tragbare Anwendungen ist die mechanische Energie der menschlichen Bewegung allgegenwärtig und relativ stabil, von der erwartet wird, dass sie von der tragbaren Elektronik im Betrieb in Elektrizität umgewandelt wird und sich zu einem nachhaltigen, batterielosen multifunktionalen elektronischen Gerät entwickelt [12, 13]. Daher ist dies eine vielversprechende Methode zur Verwendung der mechanischen Energie-Harvesting-Technologie durch menschliche Bewegungen, um ein tragbares Gerät mit eigener Stromversorgung zu erhalten, das die gemessenen Signale in Stromversorgungssignale umwandeln könnte.

Unter verschiedenen Ansätzen können die triboelektrischen Nanogeneratoren (TENGs) [14,15,16,17] basierend auf triboelektrischer Elektrifizierung und elektrostatischer Induktion die mechanische Energie der menschlichen Bewegungen effizient einfangen, die aufgrund ihres geringen Gewichts als nachhaltiger Strom oder als autarker Sensor angesehen wird , Wirtschaftlichkeit, hohe Effizienz, Robustheit und große Materialauswahl. Vor kurzem hat sich die Entwicklung von fadenförmigen TENGs, die als tragbare Elektronik mit eigener Stromversorgung fungieren, bei der Überwachung von menschlichen physiologischen Signalen wie Körperbewegungserkennung, Hauttaktilen, Pulsfrequenztests usw. bewährt. Hongzhi Wang hat einen fadenähnlichen Sensor mit eingebautem -in wellenförmigem Strukturdesign, um die Gelenkbewegungen des menschlichen Körpers zu erkennen und zu unterscheiden [18]; Die Dehnbarkeit des Sensors ist jedoch eine kritische Hürde bei komplexen Bewegungen der Gliedmaßen mit großer Belastung. Darüber hinaus hat die intelligente Textilelektronik, die aus den fadenförmigen TENGs besteht, ihre Vorteile in Energiesammelsystemen für menschliche Bewegungen gezeigt, da sie sich leicht in Kleidung integrieren lässt. Wang und Mitarbeiter haben das tragbare Smart Textile in ein Kleidungsstück eingenäht, um ein Power-Tuch zu werden [19] oder TENG-Textilien basierend auf einer durchdachten Webgarnmethode realisiert [20]; die stabile Hochleistungsleistung ist jedoch immer noch ein herausforderndes Problem für praktische Anwendungen. Außerdem werden die meisten dehnbaren Elektroden in der bisherigen tragbaren Elektronik durch schlangenförmige Metallfolien [21, 22], Abscheidung auf einem vorgespannten weichen Substrat [23, 24] und Metall-Nanodrähten [25] erreicht, was die intelligente Textilelektronik daran hindert, den Gebrauch zu tolerieren und Großserienfertigung.

Um den oben genannten Problemen zu begegnen, stellen wir hier einen neuen Typ von SATT mit Doppelhelix-Struktur vor, bestehend aus „Silber-beschichteten Glasmikrokugeln/Silikonkautschuk“ als SCT-Faden und „Silikonkautschuk-beschichtetem SCT“ als SSCT Faden. Aufgrund der guten Verträglichkeit des ultra-dehnbaren Elastomer-Matrixmaterials kann der SATT problemlos eine hohe Dehnbarkeit von 100 % erreichen, um eine konforme Montage in dehnbaren elektronischen Systemen zu realisieren. Der SATT mit einer Länge von 5 cm erzeugt eine Ausgangsspannung von 3,82 V und einen Ausgangsstrom von 65,8 nA, die als aktiver tragbarer Sensor zur Verfolgung der Fingerbewegungszustände fungieren könnte. Darüber hinaus erzeugt das von den SCT- und SSCT-Einheiten gewebte SPST eine Ausgangsspannung von 8,1 V und einen Strom von 0,42 μA im Stretch-Release-Modus und die maximale Leistung kann im Kontakttrennmodus bis zu 163,3 μW erreichen. Somit ist das SPST in der Lage, die elektrische Energie für kommerzielle Elektronik zu liefern, um den normalen Betriebszustand aufrechtzuerhalten, kann gleichzeitig die biomechanische Energie des gesamten menschlichen Gelenks effektiv gewinnen, was eine große Bedeutung für die Förderung der Entwicklung praktischer dehnbarer und tragbarer Energy Harvester hat.

Methoden

Herstellung des SCT

Die silberbeschichteten Glasmikrokugeln (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., China) wurden gleichförmig in einer festen Silikonkautschukmatrix (TN-920) mit einem Gewichtsverhältnis von 3:1 für 1,5 h dispergiert. Dann wurde die Mischung in eine Schneckenextrusionsmaschine gegeben, um ein Extrusions- und Vulkanisationsverfahren bei 110°C zu erreichen, und es wurde ein leitfähiger Verbundfaden mit einem Durchmesser von 1 mm erhalten. Die dehnbaren fünf leitfähigen Fäden wurden ausgewählt, um zusammengewickelt zu werden, und beide Enden wurden mit dem gemischten Silikonkautschuk (Ecoflex 00-30) und Härter in einem Massenverhältnis von 1:1 beschichtet. Schließlich wurde es in einen Vakuumtrockenschrank gestellt, 20 min evakuiert und 2 h auf 80 °C erhitzt. Nach dem Aushärten und Formen konnte die SCT als dehnbare Verbundelektrode realisiert werden.

Herstellung des SSCT

Das SCT wurde in die Form mit 4 mm Durchmesser gelegt. Dann wurde die Mischung aus Silikonkautschuk (Ecoflex 00-30) mit Härter in die Form gespritzt. Nach dem Evakuieren und Erhitzen wurde das SSCT durch die Entformungstechnologie vorbereitet.

Messsystem

Die Proben wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (ZEISS EVO18, Carl Zeiss Jena, Deutschland) charakterisiert. Die Ausgangsspannungs- und Stromleistungen wurden mit einem KEITHLEY 2611B-Systemelektrometer aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Das SATT besteht aus zwei Doppelhelix-Fäden auf Vollgummibasis:eines ist das SCT mit silberbeschichteten Glasmikrokugeln, die gleichmäßig in einer Silikonkautschukmatrix dispergiert sind, und das andere ist das SSCT mit dem silikonkautschukbeschichteten SCT. Der detaillierte Herstellungsprozess des SATT ist in Fig. 1a dargestellt. Die silberbeschichteten Glasmikrokugeln (75 Gew.-%) wurden durch einen Mischprozess in den ultraelastischen Silikonkautschuk eingemischt, der anschließend extrudiert und durch die Schneckenextrusionsmaschine vulkanisiert wurde, um den leitfähigen Verbundfaden zu erhalten (Abb. 1a I). Dann wurden die fünf dehnbaren leitfähigen Fäden ausgewählt, die zusammen als SCT-Elektrode verwendet wurden, und die Enden der Fäden wurden zusammengebunden, um ein Aufdrehen während der nachfolgenden Herstellung zu verhindern (Abb. 1a (II)). In Anbetracht der starken Fähigkeit, Elektronen aufzunehmen, wurde der Silikonkautschuk mit den hervorragenden mechanischen Eigenschaften sorgfältig als Umhüllungsmaterial zum Einkapseln der Elektrode ausgewählt. Der SSCT wurde nämlich hergestellt und als der andere triboelektrische Faden betrachtet (Abb. 1a (III)). Schließlich wurden SCT und SSCT miteinander verflochten, um ein dehnbares, verschleißfestes und kostengünstiges fadenförmiges TENG auf Vollgummibasis mit Doppelhelix-Struktur zu bilden (Abb. 1a (IV)). Das Querschnittsrasterelektronenmikroskop (REM)-Bild der SSCT ist in 1b gezeigt. Es ist offensichtlich, dass die fünf leitfähigen Fäden fest mit Silikonkautschuk beschichtet sind, um eine All-in-One-Struktur zu erreichen, die darauf abzielt, dass mehr induzierte Ladungen an den inneren leitfähigen Fäden auftreten. Wie in Fig. 1c, d gezeigt, sind die silberbeschichteten Glasmikrokugeln mit unterschiedlichen Durchmessern eng in Silikongummi eingebettet, wodurch in der gummiartigen Matrix eine dreidimensionale leitfähige Netzwerkstruktur erscheinen könnte. Folglich hat das SCT eine hervorragend leitfähige Eigenschaft und eine bemerkenswerte Dehnbarkeit. Um die gute Verträglichkeit homogener organischer Matrix weiter zu demonstrieren, sind die REM-Aufnahmen der vergrößerten Verbindungsposition zwischen SCT und beschichtetem Silikonkautschuk in Abb. 1e, f dargestellt. Offenbar gibt es keine Lücke zwischen leitfähigen Fäden und beschichtetem Silikonkautschuk, so dass sie eine gut durchdachte integrierte Struktur haben. 1g zeigt das resultierende SATT mit energieaufnehmenden Doppelhelixfäden, und das untere Bild von 1g zeigt die Dehnbarkeit des SATT. Das Ergebnis zeigt, dass das fadenförmige TENG bis zu ≈ 100% verlängert werden kann, was den vorherigen Berichten über fadenbasiertes TENG weit überlegen ist [26,27,28].

a Schematische Darstellung für den Herstellungsprozess der SATT-Vorrichtung. b –d Das REM-Bild der SSCT-Querschnittsansicht bei verschiedenen Vergrößerungen. e , f Das REM-Bild der Verbindungsposition zwischen SCT und beschichtetem Silikonkautschuk bei verschiedenen Vergrößerungen. g Fotos des vorbereiteten SATT mit Demonstrationen der Dehnung bei ≈ 100 % Belastung.

Trotz der Herstellung durch eine komplexe Doppelhelix-Struktur kann der SATT als eine große Anzahl von parallel geschalteten Kondensatoren ohne Berücksichtigung des Kanteneffekts angenähert werden. Somit könnte der Arbeitsmechanismus von SATT in den typischen Kontakt-Trennungsprozess zwischen dem SCT und dem SSCT in den Streck-Freigabe-Zyklen vereinfacht werden. Der elektrizitätserzeugende Mechanismus des SATT basierend auf den Kopplungseffekten von Kontaktelektrisierung und elektrostatischer Induktion ist in Abb. 2a dargestellt. Im Ursprungszustand nimmt die Oberfläche des Silikonkautschuks die negativen Ladungen auf, während an der Elektrode durch die Kontaktelektrisierung jeweils eine äquivalente positive Ladung erzeugt wird. Wenn auf den SATT eine Zugspannung ausgeübt wird, vergrößert sich der Abstand zwischen der Silikonoberfläche und der Elektrode und verursacht eine elektrische Potentialdifferenz. Die Elektronen fließen zwischen zwei Elektroden durch die äußeren Stromkreise, wodurch ein elektrischer Strom entsteht. Bis die Entfernung ziemlich weit entfernt ist, gibt es einen Gleichgewichtszustand der Elektronen, der die Übertragung stoppt. Wenn die Zugspannung nachlässt, fließen die Elektronen umgekehrt zwischen den Elektroden, um einen Ladungsausgleich zu erreichen. Nachdem der SATT vollständig in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt ist, werden die Ladungen wieder vollständig neutralisiert. Somit könnte der SATT elektrische Ausgangsenergie in den kontinuierlichen periodischen Dehnungs-Freigabe-Bewegungen erzeugen.

a Stromerzeugungsmechanismus von SATT beim Streck-Freigabe-Prozess. b Die Simulationsergebnisse der Potenzialverteilungen mit der COMSOL-Software. c Die Widerstände von leitfähigen Fäden mit einer Länge von 5 cm bei verschiedenen Dehnungshalterungen. d Die Zugkraft, die von verschiedenen Anzahlen leitfähiger Fäden als Funktion des Dehnungsbetrags erfahren wird. e Der Zugfestigkeitstest des SCT innerhalb von 100 % Dehnung. f Die Ausgangsspannungen und -ströme von leitfähigen Fäden an verschiedenen Dehnungshalterungen. g Die Leerlaufspannung von SATT mit einer Länge von 5 cm bei 100% Dehnung. h Vergrößerte Ansicht des Bereichs, der durch das gestrichelte schwarze Kästchen im Feld g gekennzeichnet ist

Darüber hinaus etablieren wir eine Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulation auf Basis der COMSOL-Software, um den Wirkmechanismus des SATT quantitativ zu analysieren. In diesem Modell sind die beiden Triboladungsdichten von ± 1μC/m ² auf den Gewindeflächen zugeordnet sind. Es ist zu beachten, dass die Menge der Anfangsladungen auf den Gewindeoberflächen nur das berechnete elektrische Potenzial beeinflusst; jedoch wird der relative Änderungstrend des elektrischen Potentials unveränderlich sein. Abbildung 2b zeigt die elektrischen Potentialverteilungen des SATT bei unterschiedlichen Zugkräften. Wenn die externe Streckkraft nicht vorhanden ist, ist die Potentialdifferenz der gesamten Vorrichtung fast Null. Wenn der SATT nach außen gestreckt wird, werden die positiven und negativen Triboladungen getrennt und die Potentialdifferenz erhöht. Folglich ist es offensichtlich, dass die Simulationsergebnisse der COMSOL-Software mit dem theoretischen Analyseprozess des obigen Arbeitsmechanismus übereinstimmen.

Für eine angenehm dehnbare Elektrode ist die elektrische Leitfähigkeit ein ausreichend wichtiger Faktor. Die vorgeschlagene dehnbare fadenförmige Elektrode mit silberbeschichteten Glasmikrokugeln, die in Silikonkautschuk-Elastomer dispergiert sind, wird bei unterschiedlichen Dehnungen gedehnt, um eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit zu bewirken. Es ist notwendig, die Beziehung zwischen der Anzahl der leitfähigen Fäden, der Länge der Dehnung und dem Widerstand der Elektrode systematisch zu untersuchen. Abbildung 2c zeigt die Widerstände von ein bis fünf leitfähigen Fäden mit einer Länge von 5 cm bei verschiedenen Dehnungshalterungen. Im Bereich von 50 % Dehnung bleiben die Widerstände von Elektroden mit unterschiedlicher Anzahl leitfähiger Fäden beim Streck- und Lösevorgang nahezu unverändert. Mit zunehmendem Dehnungsbetrag ist jedoch der Widerstandswert der Elektrode umso geringer, je mehr leitfähige Fäden vorhanden sind. Abbildung 2d zeigt die Zugkraft, die von verschiedenen Anzahlen von leitfähigen Fäden als Funktion des Dehnungsbetrags erfahren wird. Offensichtlich wird die Zugkraft größer, wenn die Anzahl der leitfähigen Fäden zunimmt. In Anbetracht der leichteren Reizbarkeit durch Zugkraft werden in dieser Arbeit die fünf ineinander verschlungenen leitfähigen Fäden als SCT-Elektrode ausgewählt. Die Zugfestigkeit des SCT innerhalb von 100 % Dehnung wurde durchgeführt, wie in Fig. 2e gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass das SCT ein ausgezeichnetes leitfähiges Elastomer ist, das insbesondere eine sehr stabile Reversibilität aufweist. Zusätzlich wurden die elektrischen Ausgangsleistungen der Doppelhelix-Energieauffangfäden durchgeführt, wie in Abb. 2f gezeigt. Mit zunehmender Anzahl leitfähiger Fäden werden die Kontaktflächen zwischen Elektrode und Silikonkautschuk vergrößert, was zu mehr übertragenen Ladungen zwischen den triboelektrischen Fäden unter den Dehnungs-Freigabe-Bewegungen führt. Dementsprechend steigen sowohl die Ausgangsleerlaufspannung als auch der Kurzschlussstrom. Abbildung 2g zeigt, dass der SATT mit einer Länge von 5 cm bei 100 % Dehnung die Leerlaufspannung von 3,82 V und den Kurzschlussstrom von 65,8 nA erzeugen kann. Die vergrößerte Ansicht eines Spannungszyklus ist in Fig. 2h gezeigt. Es ist erwähnenswert, dass die Reaktions- und Erholungszeiten des aus SCT und SSCT zusammengesetzten SATT 48 ms bzw. 220 ms bei 1 Hz betragen. Folglich wird erwartet, dass der SATT als energieautarke Zugsensorelektronik verwendet wird, um menschliche physiologische Signale zu überwachen.

Die mechanische Energie aus menschlichen Bewegungen ist aufgrund ihrer vielfältigen Vorteile wie Universalität, Erneuerbarkeit und Stabilität die häufig genutzte Energiequelle. Intelligente Textilien und intelligente Kleidung, die die mechanische Energie aus menschlichen Bewegungen sammeln, wurden umfassend erforscht [29,30,31]. Aufgrund der fehlenden hervorragenden Dehnbarkeit ist der Komfort von Smart Textiles auf Basis der flexiblen Streifen jedoch ein äußerst wichtiger Faktor, der die Entwicklung intelligenter Stoffe behindert. Angesichts der hervorragenden Dehnbarkeit des SATT-Geräts wird hier ein leichtes, komfortables und tragbares self-powered Textil vorgeschlagen. Die SCT- und SSCT-Einheiten wurden mit traditioneller Leinwandbindung in SPST eingewebt. Die schematische Darstellung und das Foto des SPST-Geräts (5 × 7 cm ² ) sind in Abb. 3a, b demonstriert. Es ist erwähnenswert, dass biologische Bewegungen normalerweise bei 5–30% Belastung als gestreckt gelten, was eine viel höhere Belastungskompatibilität der tragbaren Elektronik erfordert, um einen langzeitstabilen Betrieb unter mechanischer Spannung zu gewährleisten [32,33,34]. Abbildung 3c zeigt das schematische Dehnungsdiagramm der absichtlich gedehnten 100 % Dehnung des SPST-Geräts unter Verwendung eines Linearmotors. Der Dehnungs-Freigabe-Arbeitsmechanismus von SPST ist der gleiche wie der von SATT, wobei der Fokus darauf liegt, alle STC-Anschlüsse als Testanschluss und die Elektroden in SSTC als den anderen Testanschluss miteinander zu verbinden. Die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom des SPST-Geräts betragen etwa 8,1 V bzw. 0,42 μA während des Prozesses der Streckungs-Freigabe-Erregung (Abb. 3d, e). Aufgrund der hohen Dehnbarkeit und stabilen Ausgangsleistung könnte der SPST als batterieloses Überwachungsgerät fungieren, um die kinetische Energie der Dehnung für menschliche Gelenke zu fangen.

a Die schematische Darstellung des SPST. b Das Fotobild der SPST. c Die schematische Dehnungskurve des SPST bei 100 % Dehnung. d Die Ausgangsspannung und e Ausgangsstrom des SPST bei den periodischen Dehnungs-Freigabe-Zyklen

Berücksichtigt man außerdem, dass das SPST-Gerät während der eigentlichen menschlichen Bewegungen mit anderen Bekleidungsgeweben berührungslos auftritt, wurden die Ausgangsleistungen beim SPST-Baumwollklopfen im periodischen Klopfprozess des Linearmotors erreicht (Abb. 4a). Der Stromerzeugungsmechanismus mit SPST-Baumwollabstich ist in Abb. 4b dargestellt. Bei den periodischen Klopfzyklen findet der Kontakttrennmodus zwischen Baumwolle und den beiden Materialarten außerhalb des SPST statt. Somit fließen die elektrostatischen Induktionsladungen zwischen den Elektroden des SPST. Abbildung 4c, d zeigt die Leerlaufspannungen und Kurzschlussströme bei einer Kraft von 100 N. Bemerkenswert ist, dass die Leerlaufspannung des SPST bei verschiedenen Abgriffsfrequenzen ungefähr 150 V beträgt, was unabhängig von der Betriebsfrequenz ist. Die Kurzschlussströme des SPST betragen jedoch etwa 0,96, 1,31, 1,55, 1,77 und 2,45 µA bei Frequenzen von 0,5, 1, 1,5, 2 bzw. 3 Hz. Dies liegt daran, dass die Zeit für die Kontakttrennung mit höheren Frequenzen kürzer wird, so dass die gleiche Anzahl von Ladungen einen größeren Strom verursacht (Isc =dQsc/dt). Weiterhin verbindet sich der als Energieversorgungsgerät fungierende SPST in der Praxis meist mit der externen Last. Zusatzdatei 1:Bild S1 zeigt die Ausgangsspannungen in Abhängigkeit von externen Lastwiderständen von 1 MΩ bis 1 GΩ. Die Ausgangsleistungen des an externe Lasten angeschlossenen SPSTs können mit verschiedenen Pegeln erhalten werden, da die Ausgangsleistung durch U ² . definiert ist /R. Offensichtlich nimmt die Ausgangsleistung zuerst zu und dann wieder ab und erreicht einen Maximalwert von 163,3 μW, wenn der externe Lastwiderstand etwa 120 MΩ beträgt. Darüber hinaus wurde die Stabilitätsprüfung des SPST über 10.000 Zyklen durchgeführt, wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S2 dargestellt. Offensichtlich ist die Ausgangsspannung des SPST in regelmäßigen Testzyklen nicht gesunken, daher hat der SPST eine bemerkenswert lange Lebensdauer. Der bei der SPST-Baumwollabstichung erzeugte Strom kann in den Kondensatoren gespeichert werden, um die tragbare Elektronik mit Strom zu versorgen. Abbildung 4e zeigt die Ladekurven verschiedener Kapazitäten bei einer Frequenz von 3 Hz und einer Kraft von 100 N. Die Spannung eines 0,47-µF-Kondensators kann 150 s lang auf 14 V geladen werden. Mit zunehmender Kapazität des Kondensators dauert es länger, die gleiche hohe Spannung zu erreichen. Aufgrund der hervorragenden Ausgangsleistung konnte das SPST-Baumwollgerät direkt LEDs einschalten und eine handelsübliche elektrische Uhr durch die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie mit Strom versorgen (Abb. 4f und Zusatzdatei 2:Video S1, S2). Diese Ergebnisse zeigen, dass das SPST-Gerät elektrische Energie für kommerzielle Elektronik bereitstellen kann, um den normalen Betrieb aufrechtzuerhalten.

a Die schematische Darstellung des SPST-Baumwollklopfens. b Der Stromerzeugungsmechanismus mit SPST-Baumwollklopfen. c Die Leerlaufspannungen und d Kurzschlussströme mit SPST-Baumwollabgriff bei unterschiedlichen Abgriffsfrequenzen. e Gemessene Spannungskurven verschiedener Kondensatoren bei einer Frequenz von 3 Hz und einer Kraft von 100 N. f Die LEDs und die elektrische Uhr wurden vom SPST-Baumwollgerät angetrieben

Der fadenförmige TENG ist dehnbar und an den meisten Körperstellen leicht zu montieren und kann als aktives tragbares elektronisches Gerät zur Erfassung der Körperbewegungen verwendet werden. Wie in Abb. 5a und Zusatzdatei 2:Video S3 gezeigt, wurde das SATT-Gerät auf die Indexfigur einer Person fixiert, um auf fünf Beuge-Freigabe-Bewegungszustände zu reagieren. Offensichtlich nehmen die Spitzen der Ausgangsspannung mit der Vergrößerung der Bewegungsamplitude zu, und zwar werden die ausgegebenen Überwachungssignale durch die Größe der Streckbewegungen bestimmt. Die Verhaltensweisen bestätigen, dass der SATT als aktiver Sensor mit eigener Stromversorgung ohne externe Stromversorgung verwendet werden kann, um die Bewegungszustände der Finger quantitativ zu charakterisieren. Darüber hinaus sind die Leerlaufspannungen der SPST woven by SCT und SSCT-Einheiten stabil und unabhängig von der Betriebsfrequenz, die als Ausgangssignale der Bewegungsüberwachung verwendet werden könnten. Wie in Abb. 5b, c gezeigt, wurde das SPST an den Gelenken des menschlichen Körpers befestigt, um Energiegewinnung und Zustandsüberwachung durchzuführen. Wenn das Beuge- und Streckverhalten von Ellbogen und Knie auftritt, erzeugen der Streck-Freigabe-Modus von SPST und der Kontakt-Trennungs-Modus von SPST-Baumwolle, was zu den erzeugten elektrischen Wechselsignalen führt. Offensichtlich erfüllt das SPST-Gerät die Anforderungen an die elastischen Eigenschaften für intelligente Textilien in hohem Maße, und die Ausgangsspannungen könnten bei den maximalen Beugewinkeln der Ellbogen- und Kniegelenke etwa 105 V bzw. 116,9 V erreichen. Die Reaktionsausgangsströme betragen etwa 0,73 µA bzw. 0,89 µA. Folglich bietet das sorgfältig konstruierte SPST eine vielversprechende Stromversorgungsmethode für tragbare Elektronik, indem es die Bewegungsenergie der Körpergelenke auffängt und eine äußerst wichtige Rolle bei der Anwendung des Rehabilitationstrainings von Patienten und der Verfolgung von Aktivitäten spielen wird.

a Der SATT als energieautarker aktiver Sensor zur Erkennung von Fingerbewegungszuständen. b Die SPST wird am Ellenbogen befestigt c das Knie zum Durchführen von Energy Harvesting und Zustandsüberwachung

Schlussfolgerung

Zusammenfassend demonstriert dieses Papier eine neu entwickelte dehnbare fadenförmige tragbare Elektronik auf Vollgummibasis, bei der silberbeschichtete Glasmikrokugeln und Silikonkautschuk als Ausgangsmaterialien verwendet werden. Der SATT mit 100 % Dehnung kann über einen elektrostatischen Effekt mechanische Zugenergie in elektrische Energie umwandeln und wird als energieautarker Sensor zur quantitativen Verfolgung der Fingergelenkbewegungen demonstriert. Darüber hinaus werden die triboelektrischen SCT- und SSCT-Fäden in SPST mit traditioneller Leinwandbindung eingewebt, die durch das dehnungslösende Zusammenspiel zwischen den Strickeinheiten und die maximale Ausgangsleistung von eine Leerlaufspannung von 8,1 V und einen Kurzschlussstrom von 0,42 μA erzeugt 163,3 μW bei einem externen Lastwiderstand von 120 MΩ in der SPST-Baumwoll-Anzapfung. Mit der stabilen und großen Ausgangsspannungsleistung wurde der SPST als effektive Stromquelle identifiziert, um die elektrische Energie für kommerzielle Elektronik zu liefern. Das dehnbare und tragbare SPST bietet eine effektive Lösung für die Gewinnung biomechanischer Energie aus menschlichen Gelenkbewegungen und wird voraussichtlich ein großes Potenzial für Anwendungen in medizinischen Systemen und autarken intelligenten Tracking-Technologien entwickeln.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Abkürzungen

SATT:

Dehnbares, fadenförmiges TENG auf Gummibasis

SCT:

Dehnbarer leitfähiger Faden

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie.

SPST:

Intelligentes Textil mit eigener Stromversorgung

SSCT:

Das silikonkautschukbeschichtete SCT

TENG:

Triboelektrischer Nanogenerator