Small Structures:表皮纳米发电机综述-未来自供电皮肤的最新进展

原创署名:潘奕辰

纳米发电机是一项突破性的技术,可利用纳米材料和纳米结构,将机械能和热能转化为电能。在自然界中,纳米发电机的能量来源很丰富,包括人体运动、声学、风能、潮汐能和太阳能等。在过去的十多年里,研究者通过新型纳米发电机将这些可持续能源转化为电力供应,在健康监测、安全 、环境科学 、家用电器、机器人和物联网等方面获得了广泛的应用。而在纳米发电机家族中,表皮纳米发电机是一种特殊的器件类型,其可部署在皮肤上并为可穿戴健康监测器件供电。众所周知,皮肤是人体最大的器官,它负责许多作用,包括保护、体温驱动和触觉,因而表皮纳米发电机需要具有灵活、柔软和轻薄的特性。当前,锂电池是小型化可穿戴器件的主要供电来源,但其刚性、体积较大的特点易使佩戴者感到不适,如果能将表皮纳米发电机成功应用到这一领域,预计将实现可穿戴1.0产品向可穿戴2.0产品的颠覆性跨越。

为了推进表皮纳米发电机的发展,澳大利亚蒙纳士大学程文龙团队阐述了表皮纳米发电机的工作机制,并详细讨论了其设计策略、设计要求和应用情况。

在本综述中,作者首先分类阐述了表皮纳米发电机的工作机制。与其他纳米发电机类似,表皮纳米发电机主要有压电、摩擦电和热电三种产生能量的方式。其中,压电纳米发电机基于压电效应,将机械应力转化为压电电位,从而输出电能;摩擦电纳米发电机则是基于摩擦电效应和静电感应的耦合,通过两种不同材料的接触将机械能转换为电能;热电纳米发电机基于热电效应原理工作,利用热电材料在温度波动时的自发极化产生感应电荷。

之后,作者讨论了设计可穿戴表皮纳米发电机的策略,包括剪纸、岛桥、褶皱和纳米材料四种结构/材料。基于这些结构或材料特质,可以实现纳米发电机的轻薄、可拉伸特性,并能够兼顾高能量密度。此外,作者还结合现有的文献,讨论了表皮纳米发电机的设计要求,例如自供电能力和类皮肤特性,并回顾了其在多个领域的应用情况。

文章信息:

A Review on Epidermal Nanogenerators: Recent Progress of the Future Self-Powered Skins

John Tan Nguyen, Wenlong Cheng*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200034

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202200034