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可穿戴能量收集贴片,可收集一切人体运动包括脉搏、眨眼,将其转化为电能

admin 科技 2022-05-13 10 0

在最近发表在ACS Energy Letters杂志上的一篇文章中,研究人员讨论了使用皮肤粘附压电贴片和仿生分层排列的“微型吸盘”来放大物理能量。


与人体皮肤相连的可穿戴电子设备最近因其在医疗保健、能源、机器人和生物医学应用等行业的潜在用途而受到广泛关注。然而,此类设备存在短期供电问题,需要复杂的电力系统和频繁的充电。


最近,一种使用自供电能量收集技术为电子设备充电的技术已经成为一种替代方案。采用压电和摩擦电原理,正在开发一种轻质、薄型和自供电的可穿戴设备,该设备主要通过身体的物理运动产生能量,例如血管流动、脉搏、眨眼和关节运动。



最近的研究集中在可穿戴应用的生物相容性无铅压电材料上。然而,目前还没有关于如何通过解决皮肤粘附问题来提高发电可穿戴设备效率的研究。


基于化学的粘合剂可用于实现高水平的皮肤粘附。但是,它们可能不一致,并且它们可能很少引起皮肤伤害。因此,具有可重复应用和高透气性的干粘合剂可以防止随后的皮肤损伤,使其成为开发皮肤附着设备和可穿戴设备的必要条件。吸入室新创建的凸面结构在干燥、潮湿和不平整的表面上表现出卓越的附着力。


在这项研究中,作者讨论了在压电复合贴片设备上开发分层排列的图案hOP 。通过使用有限元方法模拟研究了具有弯曲引起的应力分布的脱粘行为。


研究人员报告了可穿戴能量收集设备与皮肤的牢固粘附在提高相应的能量产生效率方面的有用性。由于生物皮肤和可穿戴压电复合贴片之间的持久界面粘附,采用分层构造的章鱼启发图案来提高能量产生效率。


该团队讨论了通过结合可拉伸聚合物复合层来开发皮肤粘附和可穿戴能量收集贴片设备。在所提出的具有 K 0.5 Na 0.5 NbO 3 (KNN) 颗粒填料的能量产生聚合物复合材料的两侧,连接了炭黑基聚合物复合电极。



在干燥和潮湿的情况下,当弯曲角度从 0° 增加到 90° 时,输出电压稳定增加。由于吸力效应,h-OP贴片的正常附着力大于7 N/cm 2,在干燥条件下也比平面贴片高8倍。


由于其圆顶状结构,hOP 通过在液体分子之间产生内聚力来产生界面粘附,从而对皮肤具有很强的湿粘附性。由于身体的运动,改进的附着力可以在压力下有效地产生能量。当手腕弯曲 90° 时,h-OP 设备产生的能量大约是无图案实现的三倍,即使在潮湿的皮肤上也表现出稳定的附着力和出色的能量产生效率。


与手腕弯曲 90° 的平面贴片相比,带有 OP 的贴片的发电能力大约是其三倍。此外,OP 的防水粘合特性使其可以在潮湿条件下使用。由于腔室内的突起状结构由于其结构特征而提高了吸力,因此 h-OP 贴片在干燥和潮湿的皮肤表面均具有出色的粘附性能。


由于可穿戴贴片在皮肤上具有稳定的界面粘附性,因此可以通过有效传输人体运动产生的动能来获取电能。


本研究讨论了一种分层皮肤贴片的开发,该贴片具有可附着在章鱼身上的灵感图案和防水性,以在可穿戴压电复合贴片中实现放大的能量输出。使用由 KNN 颗粒填料和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 基体组成的发电压电复合材料,制备了传统结构的发电机。可穿戴和皮肤附着的能量或传感器设备可以从 KNN-PDMS 压电复合材料中受益。具有分层 OP 的压电复合贴片提供了对干燥和潮湿环境的高粘附性。


几何参数和材料特性用于评估分层 OPs 的吸力。展示了这些贴片如何用于制造具有皮肤粘性和防水性的自供电能量收集设备。尽管反复分离,所提出的贴片仍保持良好的粘附性,并展示了源自人体关节运动的能量产生,而无需化学粘合剂。尽管基于 KNN 的复合压电能量收集贴片产生的能量在 5μW 范围内,但预计它将被用作小型无线电子设备的自发电源。


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