Electrónica portátil con forma de hilo de caucho altamente estirable para la recolección de energía del movimiento humano y el seguimiento biomecánico autoalimentado

Resultados y discusión

El SATT consta de dos hilos de doble hélice a base de caucho:uno es el SCT que usa microesferas de vidrio recubiertas de plata uniformemente dispersas en la matriz de caucho de silicona, y el otro es el SSCT que usa el SCT recubierto de caucho de silicona. El proceso de fabricación detallado del SATT se ilustra en la Fig. 1a. Las microesferas de vidrio recubiertas de plata (75% en peso) se mezclaron con el caucho de silicona de ultra elasticidad mediante un proceso de mezcla, que posteriormente se extruyó y vulcanizó a través de la máquina de extrusión de tornillo para lograr el hilo compuesto conductor (Fig. 1a I). Luego, se seleccionaron los cinco hilos conductores estirables para enrollarlos juntos como electrodo SCT, y se ataron los extremos de los hilos para evitar que se desenrollaran durante la fabricación posterior (Fig. 1a (II)). Teniendo en cuenta la gran capacidad de ganar electrones, se eligió cuidadosamente el caucho de silicona con propiedades mecánicas superiores como material de envoltura para encapsular el electrodo. Es decir, se preparó el SSCT y se consideró como el otro hilo triboeléctrico (Fig. 1a (III)). Por último, el SCT y el SSCT se entrelazaron entre sí para formar un TENG con forma de rosca, totalmente elástico, resistente al desgaste y de bajo costo, con estructura de doble hélice (Fig. 1a (IV)). La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de sección transversal de SSCT se muestra en la Fig. 1b. Es obvio que los cinco hilos conductores están recubiertos firmemente por caucho de silicona para lograr una estructura todo en uno que apunta a que se produzcan más cargas inducidas en los hilos conductores internos. Como se muestra en la Fig. 1c, d, las microesferas de vidrio recubiertas de plata con diferentes diámetros están incrustadas estrechamente en caucho de silicona, lo que podría aparecer como una estructura de red conductora tridimensional en la matriz de caucho. En consecuencia, el SCT tiene una propiedad extraordinariamente conductora y una capacidad de estiramiento notable. Para demostrar aún más la buena compatibilidad de la matriz orgánica homogénea, las imágenes SEM del agrandado en la posición de conexión entre el SCT y el caucho de silicona revestido se muestran en la Fig. 1e, f. Aparentemente, no hay espacio entre los hilos conductores y el caucho de silicona recubierto por lo que se implementan una estructura integrada bien diseñada. La figura 1g muestra el SATT resultante con hilos de captación de energía de doble hélice, y la imagen inferior de la figura 1g muestra la capacidad de estiramiento del SATT. El resultado presenta que el TENG en forma de hilo se puede alargar hasta ≈ 100%, lo que es abrumadoramente superior a los informes anteriores sobre TENG basado en hilo [26,27,28].

un Diagrama esquemático del proceso de fabricación del dispositivo SATT. b - d La imagen SEM de la vista en sección transversal de SSCT a diferentes aumentos. e , f La imagen SEM de la posición de conexión entre SCT y caucho de silicona recubierto con diferentes aumentos. g Fotografías del SATT preparado con demostraciones de estiramiento a ≈ 100% de tensión.

A pesar de estar fabricado por una estructura compleja de doble hélice, el SATT se puede aproximar como una gran cantidad de capacitores conectados en paralelo sin considerar el efecto de borde. Por lo tanto, el mecanismo de trabajo de SATT podría simplificarse en el típico proceso de separación por contacto entre el SCT y el SSCT en los ciclos de estiramiento y liberación. El mecanismo de generación de electricidad del SATT basado en los efectos de acoplamiento de la electrificación por contacto y la inducción electrostática se muestra en la Fig. 2a. En el estado original, la superficie del caucho de silicona toma las cargas negativas, mientras que se genera una carga positiva equivalente en el electrodo, respectivamente, debido a la electrificación por contacto. Cuando se aplica una tensión de tracción al SATT, la distancia entre la superficie de silicona y el electrodo aumenta y provoca una diferencia de potencial eléctrico. Los electrones fluyen entre dos electrodos a través de los circuitos externos, lo que resulta en la formación de una corriente eléctrica. Hasta que la distancia sea bastante lejana, hay un estado de equilibrio de electrones que detienen la transferencia. Cuando se libera la tensión de tracción, los electrones fluyen inversamente entre los electrodos para realizar un equilibrio de carga. Una vez que el SATT se restablece por completo a su estado original, las cargas se neutralizan por completo nuevamente. Por lo tanto, el SATT podría generar energía eléctrica de salida en los movimientos periódicos continuos de estiramiento y liberación.

un Mecanismo de generación de energía de SATT en proceso de estiramiento-liberación. b Los resultados de la simulación de las distribuciones potenciales utilizando el software COMSOL. c Las resistencias de hilos conductores con una longitud de 5 cm en diferentes montajes de deformación. d La fuerza de tracción experimentada por diferentes números de hilos conductores en función de la cantidad de deformación. e La prueba de durabilidad a la tracción del SCT con una deformación del 100%. f Los voltajes y corrientes de salida de hilos conductores en diferentes montajes de deformación. g La tensión de circuito abierto de SATT con una longitud de 5 cm al 100% de deformación. h Vista ampliada del área indicada por el cuadro negro punteado en el panel g

Además, establecemos una simulación del método de elementos finitos (FEM) basada en el software COMSOL para analizar cuantitativamente el mecanismo de trabajo del SATT. En este modelo, las dos densidades de tribocarga de ± 1μC / m ² se asignan en las superficies de la rosca. Vale la pena señalar que la cantidad de cargas iniciales en las superficies de la rosca solo afecta el potencial eléctrico calculado; sin embargo, la tendencia cambiante relativa del potencial eléctrico será invariable. La Figura 2b muestra las distribuciones de potencial eléctrico del SATT a diferentes fuerzas de tracción. Cuando no existe la fuerza estirada externa, la diferencia de potencial de todo el dispositivo es casi cero. A medida que el SATT se estira hacia afuera, las tribocargas positivas y negativas se separan y la diferencia de potencial aumentará. En consecuencia, es evidente que los resultados de la simulación por el software COMSOL son consistentes con el proceso de análisis teórico del mecanismo de trabajo anterior.

Para un electrodo que se pueda estirar cómodamente, la conductividad eléctrica es un factor suficientemente importante. El electrodo extensible en forma de hilo propuesto con microesferas de vidrio recubiertas de plata dispersas en elastómero de caucho de silicona se estira a diferentes tensiones para provocar una conductividad eléctrica variada. Es necesario estudiar sistemáticamente la relación entre el número de hilos conductores, la longitud del estiramiento y la resistencia del electrodo. La Figura 2c muestra las resistencias de uno a cinco hilos conductores con una longitud de 5 cm en diferentes montajes de deformación. Dentro del rango del 50% de deformación, las resistencias de los electrodos con diferentes números de hilos conductores casi no cambian bajo el proceso de estiramiento y liberación. Sin embargo, con el aumento de la cantidad de tensión, cuanto mayor sea el número de hilos conductores, menor valor de resistencia del electrodo. La Figura 2d muestra la fuerza de tracción experimentada por diferentes números de hilos conductores en función de la cantidad de deformación. Obviamente, la fuerza de tracción aumentará a medida que aumente el número de hilos conductores. Considerando que es más fácil ser estimulado por la fuerza de tracción, los cinco hilos conductores entrelazados se seleccionan como el electrodo SCT en este trabajo. Se realizó la durabilidad a la tracción del SCT con una deformación del 100%, como se muestra en la Fig. 2e. Los resultados indican que el SCT es un elastómero conductor excelente que presenta especialmente una reversibilidad muy estable. Además, se llevaron a cabo los rendimientos de salida eléctrica de los hilos de captación de energía de doble hélice, como se muestra en la Fig. 2f. A medida que aumenta el número de hilos conductores, las áreas de contacto entre el electrodo y el caucho de silicona se agrandan, lo que resulta en más cargas transferidas entre hilos triboeléctricos bajo los movimientos de estiramiento y liberación. En consecuencia, aumentan tanto la tensión de circuito abierto de salida como la corriente de cortocircuito. La Figura 2g presenta que el SATT con una longitud de 5 cm puede generar el voltaje de circuito abierto de 3.82 V y la corriente de cortocircuito de 65.8 nA al 100% de deformación. La vista ampliada de un ciclo de voltaje se muestra en la Fig. 2h. Cabe destacar que los tiempos de respuesta y recuperación del SATT compuesto por SCT y SSCT son 48 ms y 220 ms a 1 Hz, respectivamente. En consecuencia, se espera que el SATT se utilice como sensor de tracción electrónico autoalimentado para monitorear las señales fisiológicas humanas.

La energía mecánica de los movimientos humanos ha sido el recurso energético más utilizado debido a sus diversas ventajas, como la universalidad, la renovabilidad y la estabilidad. Los textiles inteligentes y la ropa inteligente que recolectan la energía mecánica de los movimientos humanos se han investigado ampliamente [29, 30, 31]. Sin embargo, debido a la falta de una excelente capacidad de estiramiento, la comodidad de los textiles inteligentes basados ​​en las tiras flexibles es un factor extremadamente importante que dificulta el desarrollo de tejidos inteligentes. En vista de la excelente característica de estiramiento del dispositivo SATT, aquí se presenta un tejido autoamplificado ligero, cómodo y portátil. Las unidades SCT y SSCT se tejieron en SPST con tejido liso tradicional. La ilustración esquemática y la fotografía del dispositivo SPST (5 × 7 cm ² ) se muestran en la Fig. 3a, b. Vale la pena señalar que los movimientos biológicos normalmente se consideran alargados en una tensión del 5 al 30%, lo que requiere una compatibilidad de tensión mucho mayor de los dispositivos electrónicos portátiles para garantizar un funcionamiento estable a largo plazo bajo tensión mecánica [32,33,34]. La Figura 3c presenta el gráfico esquemático de estiramiento del 100% de deformación intencionalmente estirada del dispositivo SPST usando un motor lineal. El mecanismo de trabajo de estiramiento y liberación de SPST es el mismo que el de SATT y el objetivo es conectar todos los terminales STC como el puerto de prueba y los electrodos en SSTC juntos como el otro puerto de prueba. El voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito del dispositivo SPST son de aproximadamente 8,1 V y 0,42 μA en el proceso de excitación de estirado-liberación, respectivamente (Fig. 3d, e). Debido a la alta capacidad de estiramiento y los rendimientos de salida estables, el SPST podría actuar como un dispositivo de monitoreo autoamplificado para eliminar la energía cinética de estiramiento de las articulaciones humanas.

un La ilustración esquemática del SPST. b La imagen fotográfica del SPST. c El gráfico esquemático de estiramiento del SPST al 100% de deformación. d El voltaje de salida y e corriente de salida del SPST en los ciclos periódicos de estiramiento y liberación

Además, considerando que el dispositivo SPST presenta un proceso de separación por contacto con otras telas de la ropa durante los movimientos humanos reales, los rendimientos de salida con el golpeteo SPST-algodón se lograron en el proceso de golpeteo periódico del motor lineal (Fig. 4a). El mecanismo de generación de electricidad con tapping SPST-algodón se muestra en la Fig. 4b. En los ciclos de roscado periódicos, el modo de separación por contacto se produce entre el algodón y los dos tipos de material fuera del SPST. Por tanto, las cargas de inducción electrostática fluyen entre los electrodos del SPST. La Figura 4c, d muestra los voltajes de circuito abierto y las corrientes de cortocircuito bajo la fuerza de 100 N. Sorprendentemente, el voltaje de circuito abierto del SPST es de aproximadamente 150 V a diferentes frecuencias de derivación, que es independiente de la frecuencia de operación. Sin embargo, las corrientes de cortocircuito del SPST son de aproximadamente 0,96, 1,31, 1,55, 1,77 y 2,45 μA con frecuencias de 0,5, 1, 1,5, 2 y 3 Hz, respectivamente. Esto se debe a que el tiempo de separación de los contactos se acorta a medida que aumenta la frecuencia, de modo que el mismo número de cargas provoca una corriente mayor (Isc =dQsc / dt). Además, el SPST actuó como un dispositivo de suministro de energía que generalmente se conecta con la carga externa en la aplicación práctica. Archivo adicional 1:La Figura S1 presenta los voltajes de salida en función de las resistencias de carga externas de 1 MΩ a 1 GΩ. Se pueden obtener las potencias de salida del SPST conectado a cargas externas con varios niveles, ya que la potencia de salida está definida por U ² / R. Claramente, la potencia de salida aumenta al principio y luego disminuye, alcanzando un valor máximo de 163,3 μW cuando la resistencia de carga externa es de aproximadamente 120 MΩ. Además, la prueba de estabilidad del SPST se llevó a cabo durante 10.000 ciclos, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S2. Obviamente, el voltaje de salida del SPST no disminuyó en los ciclos de prueba periódicos, por lo que el SPST tiene una vida útil notablemente larga. La electricidad generada a partir de la extracción de algodón SPST se puede almacenar en los condensadores para suministrar energía a los dispositivos electrónicos portátiles. La Figura 4e muestra que las curvas de carga de varias capacidades a una frecuencia de 3 Hz y una fuerza de 100 N. El voltaje de un capacitor de 0.47 μF se puede cargar a 14 V durante 150 s. A medida que aumenta la capacidad del condensador, se tarda más en alcanzar el mismo alto voltaje. Debido a las excelentes prestaciones de salida, el dispositivo SPST-cotton podría encender directamente los LED y encender un reloj eléctrico comercial mediante la energía eléctrica almacenada en el condensador (Fig. 4f y archivo adicional 2:Video S1, S2). Estos resultados presentan que el dispositivo SPST puede proporcionar energía eléctrica para que la electrónica comercial mantenga su funcionamiento normal.

un La ilustración esquemática del roscado SPST-algodón. b El mecanismo de generación de electricidad con tapping SPST-algodón. c Las tensiones de circuito abierto y d Corrientes de cortocircuito con derivación de algodón SPST a diferentes frecuencias de derivación. e Curvas de tensión medidas de varios condensadores a una frecuencia de 3 Hz y una fuerza de 100 N. f Los LED y el reloj eléctrico fueron impulsados ​​por el dispositivo SPST-cotton

Al ser estirable y fácil de ensamblar en la mayoría de las partes del cuerpo, el TENG en forma de hilo puede actuar como un dispositivo electrónico portátil activo para detectar los movimientos corporales. Como se muestra en la Fig. 5a y el archivo adicional 2:Video S3, el dispositivo SATT se fijó en la figura índice de un sujeto para responder a cinco estados de movimiento de flexión-liberación. Claramente, los picos de voltaje de salida aumentan con el aumento de la amplitud del movimiento, es decir, las señales de control de salida están determinadas por las magnitudes de los movimientos de estiramiento. Los comportamientos confirman que el SATT se puede utilizar como un sensor activo autoamplificado sin una alimentación externa para caracterizar cuantitativamente los estados de movimiento de los dedos. Además, los voltajes de circuito abierto del SPST tejido por las unidades SCT y SSCT son estables e independientes de la frecuencia de operación, lo que podría usarse como señales de salida de monitoreo de movimiento. Como se muestra en la Fig. 5b, c, el SPST se fijó en las articulaciones del cuerpo humano para realizar la recolección de energía y la monitorización del estado. Cuando aparecen los comportamientos de flexión y extensión del codo y la rodilla, el modo de estiramiento-liberación de SPST y el modo de separación de contacto de SPST-algodón producen, lo que genera señales eléctricas alternas generadas. Obviamente, el dispositivo SPST cumple con creces el requisito sobre la propiedad elástica para textiles inteligentes, y los voltajes de salida podrían alcanzar aproximadamente 105 V y 116,9 V en los ángulos máximos de flexión de las articulaciones del codo y la rodilla, respectivamente. Las corrientes de salida de respuesta son aproximadamente 0,73 μA y 0,89 μA, respectivamente. En consecuencia, el SPST cuidadosamente diseñado proporciona un método de suministro de energía prometedor para dispositivos electrónicos portátiles al eliminar la energía de movimiento de las articulaciones del cuerpo y desempeñará un papel extremadamente importante en las aplicaciones del entrenamiento de rehabilitación de los pacientes y la actividad de seguimiento.

un El SATT como sensor activo autoamplificado para detectar estados de movimiento de los dedos. b El SPST se fija en el codo c la rodilla para realizar la recolección de energía y el monitoreo de la condición