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  可拉伸電子技術的發(fā)展促進了摩擦納米發(fā)電機（TENG）在柔性可穿戴電子產品中的應用。然而，大多數(shù)柔性電子產品無法同時達到極強的可拉伸性、透明性和高導電性的要求。

  在此，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所報道了一種由海藻酸鈉/硫酸鋅/聚丙烯酰胺雙網絡聚合物離子導電（SA-Zn）水凝膠構建的TENG，其中水凝膠具有出色的拉伸性（>10,000%）、高透明度（>95%）和良好的導電性（0.34 S·m^-1）。SA-Zn水凝膠TENG，可以從人體運動中獲取能量，例如彎曲、拉伸和扭曲。此外，SH-TENG可用于制備自供能智能彈力帶傳感器，用于監(jiān)測手臂伸展運動。這項工作可能為下一代可持續(xù)的可穿戴和運動監(jiān)測電子設備提供一個創(chuàng)新平臺。

  選擇SA、AA和AM單體和硫酸鋅（ZnSO₄）來制備超拉伸離子導體水凝膠電極。由兩種大分子單體（SA和PAA）構建的雙網絡結構和動態(tài)相互作用大大提高了水凝膠的拉伸性能。此外，在過度拉伸后，它可以在一段時間內恢復到原來的形狀。此外，鋅離子可以與聚合物鏈上的雙網絡結構結合以控制離子遷移，從而提高水凝膠的導電性和拉伸性。 

圖1. SA、AA、AM 單體通過動態(tài)交聯(lián)形成雙網絡水凝膠的過程。

圖2. SA-Zn水凝膠的機械性能。(a, b) SA-Zn水凝膠順應性、透明度和導電性的照片。(c) SA-Zn水凝膠和不同厚度的ecoflex（0.5、1.0 毫米）封裝SH-TENG的紫外-可見光透射光譜。(d) AA和AM不同比例的水凝膠力學性能的拉伸曲線對比。插圖是AA和AM進料比為1:3的SA-Zn水凝膠在原始和拉伸狀態(tài)下的圖像。(e) SA-Zn水凝膠在500-3500%應變下的加載-卸載拉伸曲線。(f) SA-Zn水凝膠的可逆拉伸 (j) SA-Zn水凝膠在不同溫度下機械性能的拉伸曲線。

圖3. 基于SA-Zn水凝膠的納米發(fā)電機的性能。(a) SA-Zn水凝膠TENG的示意圖。(b) SH-TENG原始和可折疊狀態(tài)的照片。(c)SH-TENG的能量收集機制。(d) SH-TENG的仿真示意圖。(e) V_OC、(f) I_SC和(g) Q_SC分別為SH-TENG在不同工作頻率（0.5-5Hz）和3N力載荷下的輸出。(h) SH-TENG對不同商用電容器（0.1、1.0、2.2、4.7、6.8和10 μF）的充電電壓曲線。(i) 外部負載電阻從10⁴到5×10¹⁰Ω的電流和功率密度與外部負載電阻之間的關系。(j) TENG的穩(wěn)定性分析。

圖4. SH-TENG的應用展示。(a)照片顯示TENG可以點亮234個商用綠色LED。(b) 手腕運動狀態(tài)下SH-TENG的信號輸出。插圖是SH-TENG貼服在手腕上。(c) SH-TENG在手指30°、60°和90°彎曲角度下的電壓輸出。插圖是固定在手指上的SH-TENG的圖片。(d) SH-TENG彈力帶不同拉伸狀態(tài)的照片。(e) 通過拉伸SH-TENG得到力和輸出電壓之間的關系。(f) SH-TENG拉伸過程中消耗的卡路里。(g) SA-Zn水凝膠TENG智能訓練帶的應用。(h)自供電智能彈力帶在實際應用中的實時演示過程，包括信號采集處理系統(tǒng)和實時軟件輸出接口。

  綜上所述，開發(fā)了基于導電水凝膠的SH-TENG功能性彈力訓練帶傳感器，用于監(jiān)測拉伸運動中的數(shù)據(jù)。所提出的SH-TENG未來可能在醫(yī)療監(jiān)測和康復、電子皮膚、自供電傳感器和人機交互等領域具有潛在應用。相關研究成果以題為“Self-Powered Smart Arm Training Band Sensor Based on Extremely Stretchable Hydrogel Conductors”發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為廣西大學博士生盛非凡，目前在中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士課題組進行聯(lián)合培養(yǎng)。通訊作者為中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所董凱副研究員和王中林院士。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c12378