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  作為新型能源收集裝置，摩擦納米發(fā)電機憑借著質(zhì)量輕、成本低、選材方便等諸多優(yōu)點，在柔性可穿戴領域成為了科研人員的研究熱點。近來，關于柔性摩擦納米發(fā)電機的報道層出不窮，但在適應人體穿戴方面，除了簡單柔性的要求，拉伸性和美觀度也相當重要。此外，將摩擦納米發(fā)電機的摩擦起電機制用于可穿戴自驅(qū)動傳感的研究也同樣受到科研人員的關注。因此，將摩擦納米發(fā)電機的能量收集功能與傳感器的傳感監(jiān)測功能集合到同一器件上，制備多功能可穿戴設備，更值得科研人員的深入研究。

  近日，蘇州大學功能納米與軟物質(zhì)研究院（FUNSOM）孫旭輝教授課題組提出了一種基于褶皺結構PEDOT：PSS薄膜電極的可拉伸摩擦納米發(fā)電機（WP-TENG）及自驅(qū)動觸覺傳感監(jiān)測系統(tǒng)。該WP-TENG利用彈性PDMS作為器件的摩擦材料，用褶皺狀的PEDOT：PSS薄膜作為器件的電極材料，由此制得的透明可拉伸器件同時具備收集生物機械能，觸覺傳感器和人體運動監(jiān)測的功能。

圖1. （a）器件的制備過程圖，（b）褶皺狀PEDOT:PSS導電膜，（c）不同厚度導電膜光透過率，（d）該導電膜在不同拉伸條件下方阻

  該WP-TENG通過預拉伸彈性PDMS膜作為摩擦層，再旋涂導電高分子PEDOT:PSS薄膜作為電極層，釋放拉伸后形成褶皺狀可拉伸器件。該褶皺狀電極的透明度可根據(jù)刮涂的層數(shù)不同而發(fā)生改變，最佳透光率可達到90%。經(jīng)測試，拉伸應變從0變化到100%的過程中，褶皺狀電極的方阻可從1.40增大到4.63 kΩ/□，而同等拉伸情況下無褶皺的薄膜會增大到22.9 kΩ/□，因此，該褶皺設計增強了薄膜在拉伸過程中的穩(wěn)定性。

圖2.（a）WP-TENG的器件實物圖，（b）WP-TENG的發(fā)電機理圖，（c）WP-TENG的電輸出圖，（d）WP-TENG使用時的電路示意圖，（e）WP-TENG在手拍的運動條件下的充放電曲線圖，（f）WP-TENG將電能存儲于電容器后驅(qū)動電子手表的照片。

  作為生物機械能收集裝置，WP-TENG可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能。在單電極的工作模式下，該透明可拉伸WP-TENG可以輸出180.1 V的開路電壓，75.3 nC的轉(zhuǎn)移電荷量，22.6 μA的最大短路電流。因此，基于其優(yōu)異的電輸出，研究者們將此器件用于收集人體運動（如手的拍擊）所產(chǎn)生的機械能。通過一定的電路設計，WP-TENG產(chǎn)生的交流電可以在整流之后存儲于電容器中，實現(xiàn)直流電流驅(qū)動可穿戴電子設備（便攜式電子表）。

圖3.（a）輸出電壓峰值和接觸壓強之間的關系，（b）一個手指尖不斷增大壓強來按壓1像素的傳感陣列輸出電壓，（c）3×3像素的觸覺傳感器實物圖，（d）安裝在手臂肌肉上的自驅(qū)動運動傳感器用于檢測肌肉運動狀態(tài)及電輸出，（e）固定在肘部的自驅(qū)動運動傳感器用于監(jiān)測肘關節(jié)的彎曲振幅及電輸出，（f）固定在肘部的自驅(qū)動傳感器用于檢測肘關節(jié)的彎曲頻率及電輸出。

  研究者們還將該WP-TENG放置于人體皮膚表面作為曲面電子器件，用于觸覺及人體運動監(jiān)測的自驅(qū)動傳感器。摩擦起電機制使得該WP-TENG在沒有外部電源的情況下可實現(xiàn)自驅(qū)動的觸覺傳感。在壓強范圍從2到60kPa內(nèi)，傳感器具有高靈敏度，并且本工作中組裝的3像素×3像素的觸覺傳感器陣列可用于映射記錄對象的觸摸位置或與傳感器接觸的物體的形狀。此外，它不僅可以記錄簡單的運動（如肌肉的起伏），也可以通過輸出電壓的峰值大小和峰的個數(shù)來判斷關節(jié)彎曲的頻率和角度。

  這三個應用使得本工作提出的可拉伸透明WP-TENG在人機界面、柔性機器人、功能顯示、可穿戴電子、智能衣等領域均表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

  以上相關成果發(fā)表在Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2018, 1803684）上。論文的第一作者為助理研究員文震博士, 共同第一作者為碩士生楊艷琴，通訊作者為孫旭輝教授和文震博士。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803684