Nanogenerador triboeléctrico de fibra core-shell tejida 2D cosecha movimiento corporal en 6 V, 575 nA, alimentando LEDs y capacitores

Resumen

La electrónica wearable demanda fuentes de energía compactas y autónomas que puedan aprovechar energía cinética ambiental. Presentamos un nanogenerador triboeléctrico tejido bidimensional (2DW-WTNG) construido con fibras core-shell que convierten movimiento humano en electricidad. El dispositivo entrega 6,35 V pico de voltaje y 575 nA pico de corriente, correspondiendo a densidad de potencia de 2,33 mW m⁻² a carga de 50 MΩ. Notablemente, genera carga desde desplazamientos tan pequeños como 0,4 mm y opera continuamente 12 h sin pérdida de rendimiento.

Introducción

Dispositivos portátiles, wearables e implantables han proliferado, pero las baterías convencionales fallan en capacidad, vida útil e impacto ambiental. Aprovechar la energía mecánica inherente a la actividad humana diaria ofrece alternativa sostenible. Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) convierten separación de carga inducida por contacto e inducción electrostática en electricidad usable. Aunque existen numerosos diseños TENG, muchos dependen de sustratos frágiles que comprometen durabilidad. Nuestro 2DW-WTNG elimina esta limitación integrando fibras conductoras core-shell directamente en tejido, permitiendo producción robusta y escalable.

Métodos

Fabricación de fibras compuestas core-shell

Combinamos hilos de nailon de coser (110 µm) con alambres de cobre esmaltado (60 µm) e hilos de poliéster de coser (200 µm) con alambres de acero (60 µm) usando soporte rotatorio que imita torsión manual. Este proceso produce fibras nylon/cobre de 380 µm diámetro y poliéster/acero de 385 µm, cada una con núcleo metálico rodeado por vaina polimérica. El núcleo de cobre está aislado para evitar cortocircuitos, mientras que el núcleo de acero proporciona resistencia estructural.

Tejido del 2DW-WTNG

Cuatro grupos de fibras nylon/cobre y cuatro de poliéster/acero se tejieron ortogonalmente para formar área activa de 15 mm × 15 mm con ancho de rejilla 7 mm. La tela resultante se asemeja a textil convencional, haciéndola compatible con telares industriales para producción en masa.

Caracterización eléctrica

El dispositivo fue accionado por motor lineal, impulsando capa superior contra inferior en movimiento deslizante reciprocante. Corriente y voltaje de salida se registraron bajo variadas velocidades, desplazamientos y orientaciones relativas.

Resultados y discusión

El contacto deslizante entre nailon (triboeléctricamente positivo) y poliéster (triboeléctricamente negativo) genera transferencia de carga alterna, impulsando electrones entre las dos capas de electrodos. Se lograron salidas pico de 575 nA y 6,3 V a 8 mm desplazamiento y 0,15 m s⁻¹ velocidad. La densidad de potencia pico fue 2,33 mW m⁻² conectado a resistor 50 MΩ.

El aumento de velocidad de deslizamiento mejoró valores pico: a 0,125 m s⁻¹, corriente subió a 415 nA y voltaje a 6,6 V. Desplazamientos menores hasta 0,4 mm aún produjeron salidas medibles (2,3 nA, 0,05 V), demostrando sensibilidad a movimiento humano mínimo.

El dispositivo mantuvo rendimiento en varias orientaciones en plano, entregando 134 nA y 2,23 V a ángulo relativo 50°, confirmando adaptabilidad a movimientos corporales arbitrarios.

Conectado a rectificador de puente, el 2DW-WTNG alimentó inmediatamente un LED rojo y cargó capacitor 0,47 µF a 1,84 V en 1 min, almacenando 3,84 mC m⁻². Operación continua 12 h mostró degradación despreciable, subrayando su resiliencia mecánica.

Conclusiones

El 2DW-WTNG demuestra plataforma escalable y duradera para cosechar energía de movimiento humano. Su arquitectura de fibra core-shell y diseño tejido entregan alto voltaje, corriente suficiente para electrónica de baja potencia, y operación robusta bajo direcciones de movimiento variadas. Esta tecnología allana camino para dispositivos wearables verdaderamente autónomos.

Disponibilidad de datos y materiales

Datos y análisis disponibles de autores correspondientes bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

2DW-WTNG

Nanogenerador triboeléctrico wearable tejido 2D

AC

Corriente alterna

DC

Corriente continua

LED

Diodo emisor de luz

SEM

Microscopio electrónico de barrido

WTNG

Nanogenerador triboeléctrico wearable