Nanogeneradores triboeléctricos de hilo todo-caucho estirables para recolección de energía wearable autoalimentada y seguimiento biomecánico

Resumen

La electrónica inteligente estirable avanza rápidamente los campos de recolección de energía de movimiento humano y monitoreo biomecánico autoalimentado. Aquí reportamos un novedoso nanogenerador triboeléctrico (TENG) de hilo totalmente basado en caucho que combina microsferas de vidrio recubiertas de plata con caucho de silicona para formar un hilo conductor estirable (SCT), y un SCT recubierto de caucho de silicona (SSCT) como pareja triboeléctrica complementaria. El resultante TENG de hilo todo-caucho estirable (SATT) entrega voltaje de circuito abierto de 3,82 V y corriente de cortocircuito de 65,8 nA a 100 % deformación, y diferencia fiablemente estados de movimiento de dedos distintos. Al tejerse en un textil inteligente autoalimentado (SPST) usando unidades SCT y SSCT, el dispositivo opera en dos modos: estiramiento-liberación, generando 8,1 V y 0,42 µA, y contacto-separación, produciendo 150 V y 2,45 µA cuando el textil contacta algodón. El SPST puede alimentar electrónica comercial y recolectar energía biomecánica de movimientos articulares, ofreciendo una plataforma práctica para generadores de energía wearables estirables y tejidos auto-sensores.

Introducción

La electrónica wearable cómoda, suave y transpirable se está volviendo integral para monitoreo biomédico, robótica, interfaces humano-computadora, aplicaciones militares y dispositivos de consumo. Sin embargo, baterías y supercondensadores convencionales luchan por satisfacer demandas de estos sistemas por su rigidez, vida útil limitada, peso añadido e impacto ambiental. Una alternativa sostenible es recolectar la abundante energía mecánica producida por movimiento humano. Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG), que convierten deformación mecánica en energía eléctrica vía triboelectrificación e inducción electrostática, son ligeros, baratos y versátiles, ideales para wearables autoalimentados.

Los TENG de hilo han mostrado promesa para monitorear señales fisiológicas como movimiento articular, sensado táctil y detección de pulso. Sin embargo, su estirabilidad —requisito crítico para movimientos complejos de extremidades— ha permanecido un desafío. Los textiles inteligentes existentes a menudo dependen de láminas metálicas serpentinas, sustratos pre-estirados o nanohilos metálicos, limitando producción a gran escala y durabilidad.

Para superar estas limitaciones, introducimos un SATT de doble hélice todo-caucho que combina microsferas de vidrio recubiertas de plata dispersas en caucho de silicona (SCT) con una versión recubierta de caucho de silicona (SSCT). Este diseño logra >100 % estirabilidad, alta salida eléctrica y robustez mecánica, permitiendo tanto recolección de energía como sensado autoalimentado en un solo hilo flexible.

Métodos

Fabricación del SCT

Microsferas de vidrio recubiertas de plata (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., China) se mezclaron con caucho de silicona sólido (TN-920) en proporción peso 3:1 durante 1,5 h. La mezcla se extruyó y vulcanizó a 110 °C usando máquina de extrusión de tornillo, produciendo hilo conductor de 1 mm de diámetro. Cinco de estos hilos se enrollaron juntos, y sus extremos se recubrieron con mezcla de caucho de silicona (Ecoflex 00-30 y agente de curado, 1:1) y curaron bajo vacío (20 min) y 80 °C (2 h). El SCT resultante exhibió excelente estirabilidad y conductividad.

Fabricación del SSCT

El SCT se colocó en un molde de 4 mm de diámetro, e inyectó mezcla de caucho de silicona (Ecoflex 00-30 + agente de curado). Tras evacuación y calentamiento, el SSCT se desmoldeó, produciendo una pareja triboeléctrica totalmente encapsulada.

Sistema de Medición

Microscopía electrónica de barrido (SEM) se realizó con ZEISS EVO18 (Carl Zeiss Jena, Alemania). Salidas eléctricas se registraron usando electrómetro KEITHLEY 2611B.

Resultados y Discusión

El SATT integra dos hilos todo-caucho de doble hélice: el SCT, conteniendo microsferas recubiertas de plata dispersas uniformemente, y el SSCT, un SCT recubierto de caucho de silicona. Detalles de fabricación se muestran en Fig. 1a. La matriz de silicona de alta carga asegura excelente compatibilidad mecánica, mientras las microsferas incrustadas forman una red conductora 3D, otorgando al SCT alta conductividad y estirabilidad. Imágenes SEM (Fig. 1b–f) confirman ausencia de huecos entre núcleo conductor y recubrimiento de silicona, y la estructura general (Fig. 1g) puede estirarse a ~100 % deformación —muy por encima de TENG de hilo reportados previamente.

Eléctricamente, el SATT se comporta como una serie de capacitores en paralelo. Cuando se estira, la superficie de silicona y el núcleo conductor se separan, creando diferencia de potencial que impulsa electrones a través del circuito externo. Liberar la deformación invierte el flujo, completando un ciclo completo de transferencia de carga.

Análisis de elementos finitos usando COMSOL (Fig. 2b) valida este mecanismo: la diferencia de potencial aumenta linealmente con fuerza de tracción aplicada. La resistencia del SCT permanece estable hasta 50 % deformación pero aumenta modestamente a deformaciones mayores; incorporar cinco hilos conductores entrelazados mitiga este efecto (Fig. 2c-d). Pruebas de durabilidad a tracción muestran que el SCT mantiene rendimiento sobre 10.000 ciclos a 100 % deformación (Fig. 2e). La salida eléctrica escala con el número de hilos conductores: un SATT de 5 cm alcanza 3,82 V (circuito abierto) y 65,8 nA (cortocircuito) a 100 % deformación (Fig. 2f-g). Tiempos de respuesta y recuperación a 1 Hz son 48 ms y 220 ms, respectivamente, indicando idoneidad como sensor de movimiento autoalimentado.

Para traducir esta capacidad a textil, tejimos unidades SCT y SSCT en un textil inteligente autoalimentado de trama plana (SPST, 5 × 7 cm²) (Fig. 3a-b). Al estirarse a 100 % deformación, el SPST genera 8,1 V y 0,42 µA (Fig. 3d-e). Durante contacto-separación con algodón, el SPST produce hasta 150 V y 2,45 µA a 100 N (Fig. 4c-d). Potencia de salida pico a 163,3 µW bajo carga 120 MΩ (Fig. 4e). Pruebas de estabilidad sobre 10.000 ciclos muestran sin degradación de voltaje (Fig. S2). Experimentos de carga de capacitor demuestran que un capacitor 0,47 µF alcanza 14 V en 150 s, permitiendo al SPST alimentar LEDs y un reloj comercial (Fig. 4f).

Pruebas funcionales confirman la capacidad del SATT como sensor activo autoalimentado. Al adherirse a un dedo, el dispositivo produce picos de voltaje distintos correspondientes a estados de flexión (Fig. 5a). El SPST, al fijarse en articulaciones de codo y rodilla, entrega 105 V–116,9 V y 0,73 µA–0,89 µA durante flexión/extensión, ilustrando su potencial para monitoreo de rehabilitación y seguimiento de actividad (Fig. 5b-c).

Conclusión

Hemos desarrollado un TENG de hilo totalmente basado en caucho, de doble hélice, que alcanza 100 % deformación, convierte energía mecánica en potencia eléctrica y sirve como sensor autoalimentado para movimiento de dedos y articulaciones. Tejido en textil de trama plana, el dispositivo entrega 8,1 V/0,42 µA bajo estiramiento y 150 V/2,45 µA durante contacto-separación, con potencia máxima de 163,3 µW. Estas salidas robustas permiten al SPST alimentar electrónica comercial, recolectar energía biomecánica y soportar futuras aplicaciones médicas y de seguimiento inteligente.