Dehnbare All-Gummi-Faden-Triboelektrische Nanogeneratoren für selbstversorgte Wearable-Energieernte und biomechanisches Tracking

Zusammenfassung

Dehnbare smarte Elektronik treibt die Felder der menschlichen Bewegungsenergieernte und selbstversorgter biomechanischer Überwachung rasant voran. Hier berichten wir über einen neuartigen, vollständig gummi-basierten fadenförmigen triboelektrischen Nanogenerator (TENG), der silberbeschichtete Glasmikrosphären mit Silikongummi zu einem dehnbaren leitenden Faden (SCT) kombiniert, und einen silikongummibeschichteten SCT (SSCT) als komplementären triboelektrischen Partner. Der resultierende dehnbare All-Gummi-Faden-TENG (SATT) liefert eine Leerlaufspannung von 3,82 V und einen Kurzschlussstrom von 65,8 nA bei 100 % Dehnung und differenziert zuverlässig verschiedene Fingerbewegungszustände. In ein selbstversorgtes smartes Textil (SPST) aus SCT- und SSCT-Einheiten eingewebt, arbeitet das Gerät in zwei Modi: Stretch-Release, erzeugt 8,1 V und 0,42 µA, und Kontakt-Trennung, produziert 150 V und 2,45 µA bei Kontakt mit Baumwolle. Das SPST kann kommerzielle Elektronik betreiben und biomechanische Energie aus Gelenkbewegungen ernten, was eine praktische Plattform für dehnbare, tragbare Stromgeneratoren und selbstsensorische Textilien bietet.

Einleitung

Wearable-Elektronik, die komfortabel, weich und atmungsaktiv ist, wird integraler Bestandteil biomedizinischen Monitorings, Robotik, Mensch-Computer-Schnittstellen, militärischer Anwendungen und Konsumgeräten. Herkömmliche Batterien und Superkondensatoren kämpfen jedoch damit, die Anforderungen dieser Systeme aufgrund ihrer Steifigkeit, begrenzter Lebensdauer, zusätzlichen Gewichts und Umweltauswirkungen zu erfüllen. Eine nachhaltige Alternative ist die Ernte der reichlich durch menschliche Bewegung erzeugten mechanischen Energie. Triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs), die mechanische Verformung über Triboelektrifizierung und elektrostatische Induktion in elektrische Energie umwandeln, sind leicht, kostengünstig und vielseitig, was sie ideal für selbstversorgte Wearables macht.

Fadenförmige TENGs haben Versprechen für die Überwachung physiologischer Signale wie Gelenkbewegungen, taktiles Sensieren und Pulsdetektion gezeigt. Doch ihre Dehnbarkeit – eine kritische Anforderung für komplexe Gliedmaßenbewegungen – blieb eine Herausforderung. Existierende smarte Textilien verlassen sich oft auf serpentine Metallfolien, vorgespannte Substrate oder Metallnanodrähte, was Großserienproduktion und Haltbarkeit limitiert.

Um diese Limitations zu überwinden, führen wir einen doppelhelixförmigen, vollständig gummi-basierten SATT ein, der silberbeschichtete Glasmikrosphären in Silikongummi (SCT) mit einer silikongummibeschichteten Version (SSCT) kombiniert. Dieses Design erreicht >100 % Dehnbarkeit, hohe elektrische Ausgabe und mechanische Robustheit, was sowohl Energieernte als auch selbstversorgtes Sensieren in einem einzigen, flexiblen Faden ermöglicht.

Methoden

Herstellung des SCT

Silberbeschichtete Glasmikrosphären (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., China) wurden mit festem Silikongummi (TN-920) im Gewichtsverhältnis 3:1 für 1,5 h gemischt. Das Gemisch wurde extrudiert und bei 110 °C mit einer Schneckenextrusionsmaschine vulkanisiert, was einen 1 mm-durchmessenden leitenden Faden erzeugte. Fünf solche Fäden wurden zusammengewunden, und ihre Enden wurden mit einer Silikongummi-Mischung (Ecoflex 00-30 und Härter, 1:1) beschichtet und unter Vakuum (20 min) und 80 °C (2 h) ausgehärtet. Der resultierende SCT zeigte exzellente Dehnbarkeit und Leitfähigkeit.

Herstellung des SSCT

Der SCT wurde in eine 4 mm-durchmessende Form gelegt, und eine Silikongummi-Mischung (Ecoflex 00-30 + Härter) wurde injiziert. Nach Evakuierung und Erhitzen wurde der SSCT entformt, was einen vollständig eingekapselten triboelektrischen Partner ergab.

Messsystem

Rasterelektronenmikroskopie (SEM) wurde mit einem ZEISS EVO18 (Carl Zeiss Jena, Deutschland) durchgeführt. Elektrische Ausgänge wurden mit einem KEITHLEY 2611B Elektrometer aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Der SATT integriert zwei doppelhelixförmige All-Gummi-Fäden: den SCT mit gleichmäßig dispersen silberbeschichteten Glasmikrosphären und den SSCT, einen silikongummibeschichteten SCT. Fertigungsdetails sind in Abb. 1a dargestellt. Die hochbelastete Silikonmatrix gewährleistet exzellente mechanische Kompatibilität, während die eingebetteten Mikrosphären ein 3D-leitendes Netzwerk bilden, was dem SCT hohe Leitfähigkeit und Dehnbarkeit verleiht. SEM-Bilder (Abb. 1b-f) bestätigen das Fehlen von Lücken zwischen leitendem Kern und Silikonbeschichtung, und die Gesamtstruktur (Abb. 1g) kann auf ~100 % Dehnung gestreckt werden – weit über zuvor berichteten fadenförmigen TENGs.

Elektrisch verhält sich der SATT wie eine Reihe von Kondensatoren in Parallel. Bei Dehnung trennen sich Silikonoberfläche und leitender Kern, was eine Potentialdifferenz erzeugt, die Elektronen durch den externen Stromkreis treibt. Loslassen der Dehnung kehrt den Fluss um und vervollständigt einen vollen Zyklus der Ladungsübertragung.

Finite-Elemente-Analyse mit COMSOL (Abb. 2b) validiert diesen Mechanismus: Die Potentialdifferenz steigt linear mit angezogener Zugkraft. Der SCT-Widerstand bleibt bis 50 % Dehnung stabil, steigt aber bei höheren Dehnungen moderat an; die Einbindung von fünf ineinander verwundenen leitenden Fäden mildert diesen Effekt (Abb. 2c-d). Zugfestigkeitstests zeigen, dass der SCT die Leistung über 10.000 Zyklen bei 100 % Dehnung beibehält (Abb. 2e). Die elektrische Ausgabe skaliert mit der Anzahl der leitenden Fäden: Ein 5 cm SATT erreicht 3,82 V (Leerlauf) und 65,8 nA (Kurzschluss) bei 100 % Dehnung (Abb. 2f-g). Ansprech- und Erholungszeiten bei 1 Hz betragen 48 ms und 220 ms, was Eignung als selbstversorgter Bewegungssensor anzeigt.

Um diese Fähigkeit in ein Textil zu übertragen, webten wir SCT- und SSCT-Einheiten in ein Leinwandbindung selbstversorgtes smartes Textil (SPST, 5 × 7 cm²) (Abb. 3a-b). Bei 100 % Dehnung generiert das SPST 8,1 V und 0,42 µA (Abb. 3d-e). Während Kontakt-Trennung mit Baumwolle produziert das SPST bis zu 150 V und 2,45 µA bei 100 N (Abb. 4c-d). Die Leistungsausgabe erreicht ein Maximum von 163,3 µW unter 120 MΩ Last (Abb. 4e). Stabilitätstests über 10.000 Zyklen zeigen keine Spannungsdegradation (Abb. S2). Kondensator-Ladeexperimente demonstrieren, dass ein 0,47 µF Kondensator in 150 s 14 V erreicht, was das SPST befähigt, LEDs und eine kommerzielle Uhr zu betreiben (Abb. 4f).

Funktionstests bestätigen die Fähigkeit des SATT als selbstversorgter aktiver Sensor. Am Finger befestigt erzeugt das Gerät distincte Spannungspitzen entsprechend Beugungszuständen (Abb. 5a). Das SPST, an Ellbogen- und Kniegelenken befestigt, liefert 105 V–116,9 V und 0,73 µA–0,89 µA während Beugung/Streckung, was sein Potenzial für Rehabilitationsmonitoring und Aktivitätstracking illustriert (Abb. 5b-c).

Schlussfolgerung

Wir haben einen vollständig gummi-basierten, doppelhelixförmigen fadenförmigen TENG entwickelt, der 100 % Dehnung erreicht, mechanische Energie in elektrische Leistung umwandelt und als selbstversorgter Sensor für Finger- und Gelenkbewegungen dient. In ein Leinwandbindung-Textil eingewebt liefert das Gerät 8,1 V/0,42 µA unter Dehnung und 150 V/2,45 µA während Kontakt-Trennung, mit maximaler Leistung von 163,3 µW. Diese robusten Ausgänge befähigen das SPST, kommerzielle Elektronik zu betreiben, biomechanische Energie zu ernten und zukünftige medizinische und Smart-Tracking-Anwendungen zu unterstützen.