这只“鞋垫”不简单,登上《ACS Nano》!三校联合开发出不怕潮湿、可发电的智能鞋垫

智能可穿戴电子设备的快速发展要求其能量来源更加广泛、普遍、可再生、绿色且智能。事实上人体本身就含有多种可再生的能量来源,如生物能、机械能等,但人体产生的多数能量未能被充分利用而无辜浪费掉了。在人体的众多能量来源中,人类脚步动作具有最大的可被收集的能量,据相关文献报道,此值可高达67 W,经工程优化后,脚步所产生的生物机械能可以转化为其他形式的能量被其他人体智能设备供能,这些能量转化原理包括压电、静电感应、电磁感应以及摩擦纳米发电(TENG)等。这其中,基于摩擦起电和静电感应的TENG以其制备简单、低成本、高效率和环境友好等优点获得了研究者的广泛青睐。但TENG的工作原理使其易受到潮湿环境的影响,水分子可快速消耗表面电荷,降低输出电压。常见的潮湿环境如人体汗液和自然因素(雨水、雪、雾、露水等)均会影响其在人体智能电子设备领域的应用。因此开发具有低成本、高效率、高输出、良好防水特性的能量收集装置对于智能电子设备的不断发展既是要求,也是挑战!

基于此,重庆大学的杨进教授、天津大学的葛磊姣讲师和美国加州大学洛杉矶分校的陈俊教授合作开发出了一种不怕潮湿环境、低成本、具有优异电荷收集能力的智能鞋垫。该智能鞋垫的输出功率高达580 μW,且不受潮湿环境的影响,在含有汗液和地面积水的环境中可点亮260盏LED灯,仅需900s即可充电88 μF的电容器至2.5 V。该工作以“Smart Insole for Robust Wearable Biomechanical Energy Harvesting in Harsh Environments”为题发表在最新一期的ACS nano杂志上。

根据人体力学,该鞋垫分别在前脚和后脚处设计了不同的电荷收集装置。前脚承受人体61%重量,且着力面积大,因此采用平面构造;后脚着力面积小且载荷也小,所以采用管状结构增加输出。二者的结构示意图如图1所示。在此选用PET表面负载铜片制备第一摩擦层,选用硅橡胶为第二摩擦层,二层之间采用海绵做间隔;在管状结构中,硅橡胶环的内径和外径分别为8 mm和10 mm。

这只“鞋垫”不简单,登上《ACS Nano》!三校联合开发出不怕潮湿、可发电的智能鞋垫

图1. (a)自然环境中的水源和人体汗液;(b)12岁男孩足部着地时各个部位的压力;(c)智能鞋垫在鞋子中的结果示意图;(d)智能鞋垫的前脚和后脚结构示意图;(e)智能鞋垫的实物照片。

通过改变摩擦层的粗糙度、管状结构的尺寸、脚步动作、模拟载荷等多个因素,作者系统研究了该智能鞋垫的输出能力。发现表面粗糙度越高、管状尺寸越大、载荷越大,则输出电压越大,如图2所示。当在外电路中连接电阻为100 MΩ和500 MΩ时,前脚和后脚处的输出功率分别达到最大值:138 μW 和580 μW。整只鞋垫在水中浸泡后,仍然具有与未沾水时同样的输出,实现了在极端环境使用的目的,如图3所示。

这只“鞋垫”不简单,登上《ACS Nano》!三校联合开发出不怕潮湿、可发电的智能鞋垫

图2. (a)测试平台的结构示意图;(b)摩擦层表面粗糙度对输出性能的影响;(c)管状结构的长度对输出性能的影响;(d)不同人体动作对前脚输出性能的影响;(e)外部模拟载荷对输出性能的影响;(f) 不同人体动作对后脚输出性能的影响。

这只“鞋垫”不简单,登上《ACS Nano》!三校联合开发出不怕潮湿、可发电的智能鞋垫

图3. (a)前脚和(b)后脚结构在外连电阻时的输出电流和输出功率值;(c)将智能鞋垫浸泡于水中的结构示意图和(d)输出曲线;(e)智能鞋垫点亮260盏LED灯;(f)智能鞋垫为电容器充电曲线。

至此,该智能鞋垫实现了将人体生物机械能转化为电能的目的,在不久的未来将在人体传感网络和自驱动系统大放异彩。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06949

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