Advanced Functional Materials:用于生物力学监测和人机交互的可拉伸纤维状摩擦纳米发电机

可穿戴触觉传感器是智慧医疗、机器人技术、人机界面和人工智能技术的重要组成部分。近年来可穿戴、柔性、甚至可伸缩的触觉传感器,如各种类型的电子皮肤,引起了人们的广泛关注,它能够适应复杂和不规则的表面,最大限度地匹配可穿戴设备,并适形于人体器官旨在收集人体活动的数据用于人体健康监测或人机交互。然而,如何同时实现电子皮肤的透气性、渗透性和舒适性是其发展的一大挑战。要实现这些功能最直接的方式是在电子皮肤上引入微孔结构,然而这些孔洞会削弱其力学性能。

中科院北京纳米能源与系统研究所研究团队尝试通过传感器的小型化和集成化来解决此问题。该团队将银纳米线和碳纳米管的导电材料,聚二甲基硅氧烷的封装材料依次沉积在可拉伸的氨纶纤维基底上制作出柔性可拉伸直径仅为0.63 mm的同轴结构的纤维状摩擦纳米发电机(F-TENG)。作为自供电触觉传感器,F-TENG具有良好的柔韧性和优异的机械稳定性,能够将机械能转化为电能来应对各种机械刺激。因此,它可以在不影响人体正常活动的条件下,完全贴合于人体器官上,以记录人体行走的步数、识别不同的手势和手指的弯曲角度等。此外,由于其出色的机械性能,它也可以很方便地集成到传统纺织品中。基于该发电机编织的传感织物作为触觉传感器和人机交互界面,可以实时识别触摸位置和压力分布。

这种纤维状摩擦纳米发电机具有优异的机械性能,可拉伸140%以上并可以任意弯折成各种形状。因此,它可以在不影响人体正常活动的前提下应用于监测人体活动,也可以与商业纱线共同编织成可穿戴、可透气的触觉传感器织物,有效满足了人体对透气性和舒适性的需求。该工作为制造可拉伸纤维状压力传感器提供了一种新方法,在个人健康监测和人机交互方面具有广阔的应用前景。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202006679)上。