Électronique portable en forme de fil à base de caoutchouc hautement extensible pour la récolte d'énergie du mouvement humain et le suivi biomécanique auto-alimenté

Introduction

L'électronique portable avec confort, douceur et respirabilité intégrée sur les textiles ou les vêtements a été largement utilisée dans de nombreux domaines, tels que les moniteurs biomédicaux [1,2,3], les robots bioniques [4,5,6], les interfaces humaines-interactives [ 7, 8], l'électronique militaire et grand public [9,10,11], qui est l'incarnation parfaite de l'essor de la technologie et apporte beaucoup de commodité et d'avantages à notre vie. Cependant, pour alimenter ces appareils électroniques portables, les batteries traditionnelles et les supercondensateurs ont du mal à répondre à leurs besoins énergétiques en raison des goulots d'étranglement techniques de la rigidité structurelle, de la durée de vie limitée, du poids supplémentaire de l'appareil et de la pollution environnementale. Par conséquent, il est urgent d'explorer une nouvelle alimentation électrique durable pour l'électronique portable. Pour les applications portables, l'énergie mécanique du mouvement humain est omniprésente et relativement stable et devrait être convertie en électricité par l'électronique portable en fonctionnement, se transformant en un dispositif électronique multifonctionnel autonome et durable [12, 13]. Par conséquent, il s'agit d'une méthode prometteuse pour utiliser la technologie de récupération d'énergie mécanique du mouvement humain pour obtenir un appareil portable auto-alimenté, qui pourrait convertir les signaux mesurés en signaux d'alimentation.

Parmi diverses approches, les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) [14,15,16,17] basés sur l'électrification triboélectrique et l'induction électrostatique peuvent récupérer efficacement l'énergie mécanique des mouvements humains, qui est considérée comme une puissance durable ou un capteur auto-alimenté en raison de la légèreté , rentabilité, haute efficacité, robustesse et large choix de matériaux. Récemment, le développement de TENG en forme de fil agissant comme des appareils électroniques portables auto-alimentés a démontré ses mérites dans la surveillance des signaux physiologiques humains, y compris la détection des mouvements corporels, la détection tactile de la peau, les tests de fréquence d'impulsion, etc. Hongzhi Wang a livré un capteur filiforme avec -dans la conception de structures ondulées pour détecter et discriminer les mouvements articulaires des corps humains [18] ; cependant, l'extensibilité du capteur est un obstacle critique dans les mouvements complexes des membres avec une grande tension. De plus, l'électronique textile intelligente composée de TENG en forme de fil a montré ses avantages dans les systèmes de collecte d'énergie des mouvements humains grâce à sa facilité d'intégration avec les vêtements. Wang et ses collègues ont cousu le textile intelligent portable dans un vêtement pour en faire un tissu électrique [19] ou ont réalisé des textiles TENG basés sur une méthode de tissage de fils bien conçue [20] ; Cependant, les performances stables à haut rendement restent un problème difficile pour les applications pratiques. En outre, la plupart des électrodes extensibles dans les appareils électroniques portables précédents sont obtenues par des feuilles métalliques serpentines [21, 22], un dépôt sur un substrat souple précontraint [23, 24] et des nanofils métalliques [25], obstruant l'électronique textile intelligente pour tolérer l'utilisation et fabrication à grande échelle.

Ici, afin de résoudre les problèmes ci-dessus, nous présentons un nouveau type de SATT avec une structure à double hélice, composé de « microsphères de verre enduites d'argent/caoutchouc de silicone » en tant que fil SCT et de « SCT enduit de caoutchouc de silicone » en tant que SSCT. fil. En raison de la bonne compatibilité du matériau de la matrice élastomère ultra-étirable, le SATT peut facilement obtenir une extensibilité élevée de 100% pour réaliser un assemblage conforme dans les systèmes électroniques étirables. Le SATT d'une longueur de 5 cm génère une tension de sortie de 3,82 V et un courant de sortie de 65,8 nA, qui pourraient servir de capteur portable actif pour suivre les états de mouvement des doigts. De plus, le SPST tissé par les unités SCT et SSCT génère une tension de sortie de 8,1 V et un courant de 0,42 A en mode étirement-relâchement et la puissance maximale peut atteindre jusqu'à 163,3 W en mode de séparation de contact. Ainsi, le SPST est capable de fournir l'énergie électrique nécessaire à l'électronique commerciale pour maintenir un état de fonctionnement normal, tout en pouvant récolter efficacement l'énergie biomécanique complète des mouvements des articulations humaines, ce qui est très important pour promouvoir le développement de récupérateurs d'énergie pratiques extensibles et portables.

Méthodes

Fabrication du SCT

Les microsphères de verre revêtues d'argent (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., Chine) ont été uniformément dispersées dans une matrice de caoutchouc de silicone solide (TN-920) avec un rapport pondéral de 3:1 pendant 1,5 h. Ensuite, le mélange a été placé dans une machine d'extrusion à vis pour réaliser le processus d'extrusion et de vulcanisation à 110 °C et le fil composite conducteur d'un diamètre de 1 mm a été obtenu. Les cinq fils conducteurs étirables ont été sélectionnés pour être enroulés ensemble et les deux extrémités ont été enduites d'un mélange de caoutchouc de silicone (Ecoflex 00-30) et d'agent de durcissement dans un rapport massique de 1:1. Enfin, il a été placé dans une étuve de séchage sous vide sous vide pendant 20 min et chauffé pendant 2 h à 80°C. Après durcissement et mise en forme, le SCT peut être réalisé comme une électrode composite étirable.

Fabrication du SSCT

Le SCT a été placé dans le moule de 4 mm de diamètre. Ensuite, le mélange de caoutchouc de silicone (Ecoflex 00-30) avec un agent de durcissement a été injecté dans le moule. Après évacuation et chauffage, le SSCT a été préparé grâce à la technologie de démoulage.

Système de mesure

Les échantillons ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage à émission de champ (ZEISS EVO18, Carl Zeiss Jena, Allemagne). Les performances de tension et de courant de sortie ont été enregistrées par un électromètre du système KEITHLEY 2611B.

Résultats et discussion

Le SATT se compose de deux fils à double hélice tout en caoutchouc :l'un est le SCT utilisant des microsphères de verre recouvertes d'argent uniformément dispersées dans une matrice de caoutchouc de silicone, et l'autre est le SSCT utilisant le SCT recouvert de caoutchouc de silicone. Le processus de fabrication détaillé du SATT est illustré sur la figure 1a. Les microsphères de verre recouvertes d'argent (75% en poids) ont été mélangées au caoutchouc de silicone ultra-élastique par un processus de mélange, qui a ensuite été extrudé et vulcanisé à travers la machine d'extrusion à vis pour obtenir le fil composite conducteur (Fig. 1a I). Ensuite, les cinq fils conducteurs extensibles ont été sélectionnés pour être enroulés ensemble utilisés comme électrode SCT, et les extrémités des fils ont été attachées pour empêcher la torsion lors de la fabrication ultérieure (Fig. 1a (II)). Compte tenu de la forte capacité à gagner des électrons, le caoutchouc de silicone aux propriétés mécaniques supérieures a été soigneusement choisi comme matériau d'emballage pour encapsuler l'électrode. A savoir, le SSCT a été préparé et considéré comme l'autre fil triboélectrique (Fig. 1a (III)). Enfin, le SCT et le SSCT ont été entrelacés pour former un TENG en forme de fil à base de caoutchouc extensible, résistant à l'usure et à faible coût avec une structure à double hélice (Fig. 1a (IV)). L'image en coupe transversale de microscopie électronique à balayage (MEB) de SSCT est illustrée à la figure 1b. Il est évident que les cinq fils conducteurs sont enduits étroitement de caoutchouc de silicone pour obtenir une structure tout-en-un visant à davantage de charges induites se produisant sur les fils conducteurs internes. Comme le montrent les figures 1c, d, les microsphères de verre recouvertes d'argent de différents diamètres sont étroitement noyées dans du caoutchouc de silicone, ce qui pourrait apparaître une structure de réseau conducteur tridimensionnel dans la matrice caoutchouteuse. Par conséquent, le SCT a une propriété exceptionnellement conductrice et une capacité d'étirement remarquable. Pour démontrer davantage la bonne compatibilité de la matrice organique homogène, les images SEM de la position agrandie de la connexion entre le SCT et le caoutchouc de silicone enduit sont illustrées à la Fig. 1e, f. Apparemment, il n'y a pas d'espace entre les fils conducteurs et le caoutchouc de silicone enduit, de sorte qu'ils mettent en œuvre une structure intégrée bien conçue. La figure 1g affiche le SATT résultant avec des fils à double hélice de récupération d'énergie, et l'image inférieure de la figure 1g montre l'extensibilité du SATT. Le résultat montre que le TENG en forme de fil peut être allongé jusqu'à ≈  100 %, ce qui est largement supérieur aux rapports précédents sur le TENG à base de fil [26,27,28].

un Schéma de principe du processus de fabrication du dispositif SATT. b –d L'image SEM de la vue en coupe SSCT à différents grossissements. e , f L'image SEM de la position de connexion entre le SCT et le caoutchouc de silicone enduit à différents grossissements. g Photographies du SATT préparé avec des démonstrations d'étirement à ≈ 100 % de tension.

Bien qu'il soit fabriqué par une structure complexe à double hélice, le SATT peut être approximé comme un grand nombre de condensateurs connectés en parallèle sans tenir compte de l'effet de bord. Ainsi, le mécanisme de travail du SATT pourrait être simplifié dans le processus typique de séparation de contact entre le SCT et le SSCT dans les cycles d'étirement-relâchement. Le mécanisme de génération d'électricité de la SATT basé sur les effets de couplage de l'électrification de contact et de l'induction électrostatique est représenté sur la figure 2a. Dans l'état d'origine, la surface du caoutchouc de silicone prend les charges négatives, tandis qu'une charge positive équivalente est générée sur l'électrode, respectivement, en raison de l'électrification de contact. Lorsqu'une contrainte de traction est appliquée au SATT, la distance entre la surface en silicone et l'électrode augmente et provoque une différence de potentiel électrique. Les électrons circulent entre deux électrodes à travers les circuits externes, entraînant la formation d'un courant électrique. Jusqu'à ce que la distance soit assez éloignée, il y a un état d'équilibre des électrons arrêtant le transfert. Lorsque la contrainte de traction est relâchée, les électrons circulent en sens inverse entre les électrodes pour réaliser un équilibre de charge. Une fois que le SATT est entièrement restauré à l'état d'origine, les charges sont à nouveau complètement neutralisées. Ainsi, le SATT pourrait générer de l'énergie électrique de sortie dans les mouvements périodiques continus d'étirement-libération.

un Mécanisme de génération d'énergie de SATT lors du processus d'étirement-relâchement. b Les résultats de simulation des distributions potentielles à l'aide du logiciel COMSOL. c Les résistances des fils conducteurs d'une longueur de 5 cm à différents supports de contrainte. d La force de traction subie par différents nombres de fils conducteurs en fonction de la quantité de déformation. e Le test de résistance à la traction du SCT avec une contrainte de 100 %. f Les tensions et courants de sortie des fils conducteurs à différents supports de contrainte. g La tension en circuit ouvert de SATT d'une longueur de 5 cm à 100% de déformation. h Vue agrandie de la zone indiquée par la boîte noire en pointillés dans le panneau g

De plus, nous établissons une simulation par méthode des éléments finis (FEM) basée sur le logiciel COMSOL pour analyser quantitativement le mécanisme de fonctionnement de la SATT. Dans ce modèle, les deux densités de charge tribo de ± 1μC/m ² sont affectés sur les surfaces de filetage. Il convient de noter que la quantité de charges initiales sur les surfaces du fil n'affecte que le potentiel électrique calculé ; cependant, la tendance changeante relative du potentiel électrique sera invariante. La figure 2b montre les distributions de potentiel électrique du SATT à différentes forces de traction. Lorsque la force étirée externe n'existe pas, la différence de potentiel de l'ensemble du dispositif est presque nulle. Lorsque le SATT est étiré vers l'extérieur, les charges tribo positives et négatives sont séparées et la différence de potentiel augmente. Par conséquent, il est évident que les résultats de la simulation par le logiciel COMSOL sont cohérents avec le processus d'analyse théorique du mécanisme de travail ci-dessus.

Pour une électrode confortablement extensible, la conductivité électrique est un facteur suffisamment important. L'électrode en forme de fil extensible proposée avec des microsphères de verre recouvertes d'argent dispersées dans un élastomère de caoutchouc de silicone est étirée à différentes contraintes pour provoquer une conductivité électrique variée. Il est nécessaire d'étudier systématiquement la relation entre le nombre de fils conducteurs, la longueur de l'étirement et la résistance de l'électrode. La figure 2c montre les résistances d'un à cinq fils conducteurs d'une longueur de 5 cm à différents supports de contrainte. Dans la plage de 50 % de déformation, les résistances des électrodes avec différents nombres de fils conducteurs sont pratiquement inchangées lors du processus d'étirement et de relâchement. Cependant, avec l'augmentation de la quantité de contrainte, plus le nombre de fils conducteurs est élevé, plus la valeur de résistance de l'électrode est faible. La figure 2d montre la force de traction subie par différents nombres de fils conducteurs en fonction de la quantité de contrainte. De toute évidence, la force de traction augmentera à mesure que le nombre de fils conducteurs augmente. Considérant qu'il est plus facile d'être stimulé par la force de traction, les cinq fils conducteurs entrelacés sont sélectionnés comme électrode SCT dans ce travail. La durabilité à la traction du SCT à moins de 100 % de déformation a été réalisée, comme le montre la figure 2e. Les résultats indiquent que le SCT est un excellent élastomère conducteur présentant notamment une réversibilité très stable. De plus, les performances de sortie électrique des fils de récupération d'énergie à double hélice ont été réalisées, comme le montre la figure 2f. À mesure que le nombre de fils conducteurs augmente, les zones de contact entre l'électrode et le caoutchouc de silicone sont agrandies, ce qui entraîne davantage de charges transférées entre les fils triboélectriques sous les mouvements d'étirement-libération. En conséquence, la tension de sortie en circuit ouvert et le courant de court-circuit augmentent à la fois. La figure 2g montre que le SATT d'une longueur de 5 cm peut générer la tension en circuit ouvert de 3,82 V et le courant de court-circuit de 65,8 nA à 100 % de déformation. La vue agrandie d'un cycle de tension est représentée sur la figure 2h. Il est à noter que les temps de réponse et de récupération du SATT composé de SCT et SSCT sont respectivement de 48 ms et 220 ms à 1 Hz. Par conséquent, le SATT devrait être utilisé comme électronique de détection de traction auto-alimentée pour surveiller les signaux physiologiques humains.

L'énergie mécanique issue des mouvements humains a été la ressource énergétique fréquemment utilisée en raison de ses divers avantages tels que l'universalité, la renouvelabilité et la stabilité. Les textiles intelligents et les vêtements intelligents collectant l'énergie mécanique des mouvements humains ont fait l'objet de nombreuses recherches [29,30,31]. Cependant, en raison de l'absence d'une excellente extensibilité, le confort des textiles intelligents basés sur les bandes flexibles est un facteur extrêmement important entravant le développement de tissus intelligents. Compte tenu de l'excellente caractéristique d'étirement du dispositif SATT, un textile auto-alimenté léger, confortable et portable est proposé ici. Les unités SCT et SSCT ont été tissées en SPST avec une armure toile traditionnelle. L'illustration schématique et la photographie du dispositif SPST (5 × 7 cm ² ) sont illustrés à la Fig. 3a, b. Il convient de noter que les mouvements biologiques sont normalement considérés comme allongés dans une contrainte de 5 à 30%, ce qui nécessite une compatibilité de contrainte beaucoup plus élevée de l'électronique portable pour assurer un fonctionnement stable à long terme sous tension mécanique [32,33,34]. La figure 3c présente le graphique schématique d'étirement de la contrainte à 100 % intentionnellement étirée du dispositif SPST à l'aide d'un moteur linéaire. Le mécanisme de travail d'étirement-libération de SPST est le même que celui de SATT, l'objectif étant de connecter tous les terminaux STC en tant que port de test et les électrodes de SSTC ensemble en tant qu'autre port de test. La tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit du dispositif SPST sont respectivement d'environ 8,1 V et 0,42 A en cours d'excitation d'étirement-relâchement (Fig. 3d, e). En raison de l'extensibilité élevée et des performances de sortie stables, le SPST pourrait être utilisé comme un dispositif de surveillance auto-alimenté pour récupérer l'énergie cinétique d'étirement des articulations humaines.

un L'illustration schématique du SPST. b L'image photo du SPST. c Le graphique schématique d'étirement du SPST à 100 % de déformation. d La tension de sortie et e courant de sortie du SPST aux cycles d'étirement-relâchement périodiques

De plus, étant donné que le dispositif SPST apparaît comme un processus de séparation de contact avec d'autres tissus d'habillement pendant les mouvements humains réels, les performances de sortie avec le taraudage SPST-coton ont été atteintes dans le processus de taraudage périodique du moteur linéaire (Fig. 4a). Le mécanisme de production d'électricité avec le prélèvement de coton SPST est illustré à la figure 4b. Dans les cycles de taraudage périodiques, le mode contact-séparation se produit entre le coton et les deux types de matériaux en dehors du SPST. Ainsi, les charges d'induction électrostatique circulent entre les électrodes du SPST. La figure 4c, d affiche les tensions en circuit ouvert et les courants de court-circuit sous la force de 100 N. Remarquablement, la tension en circuit ouvert du SPST est d'environ 150 V à différentes fréquences de prise, ce qui est indépendant de la fréquence de fonctionnement. Cependant, les courants de court-circuit du SPST sont d'environ 0,96, 1,31, 1,55, 1,77 et 2,45 A avec des fréquences de 0,5, 1, 1,5, 2 et 3 Hz, respectivement. En effet, le temps de séparation des contacts devient plus court à mesure que les fréquences sont plus élevées, de sorte que le nombre égal de charges provoque un courant plus important (Isc =dQsc/dt). De plus, le SPST a agi comme un dispositif d'alimentation en énergie se connecte généralement à la charge externe dans une application pratique. Fichier complémentaire 1 :La figure S1 présente les tensions de sortie en fonction des résistances de charge externe de 1 MΩ à 1 GΩ. Les puissances de sortie du SPST connecté à des charges externes avec différents niveaux peuvent être obtenues, car la puissance de sortie est définie par U ² /R. Clairement, la puissance de sortie augmente d'abord puis diminue, atteignant une valeur maximale de 163,3 W lorsque la résistance de charge externe est d'environ 120 MΩ. De plus, le test de stabilité du SPST a été effectué pendant 10 000 cycles, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2. De toute évidence, la tension de sortie du SPST n'a pas diminué au cours des cycles de test périodiques, le SPST a donc une durée de vie remarquablement longue. L'électricité générée par le prélèvement de coton SPST peut être stockée dans les condensateurs pour alimenter les appareils électroniques portables. La figure 4e montre que les courbes de charge de différentes capacités à une fréquence de 3 Hz et une force de 100 N. La tension d'un condensateur de 0,47 µF peut être chargée à 14 V pendant 150 s. Avec l'augmentation de la capacité du condensateur, il faut plus de temps pour atteindre la même haute tension. En raison des performances de sortie exceptionnelles, le dispositif SPST-coton pourrait allumer directement les LED et alimenter une montre électrique commerciale par l'énergie électrique stockée dans le condensateur (Fig. 4f et Fichier supplémentaire 2 :Vidéo S1, S2). Ces résultats montrent que le dispositif SPST peut fournir de l'énergie électrique pour l'électronique commerciale afin de maintenir un fonctionnement normal.

un L'illustration schématique du taraudage du coton SPST. b Le mécanisme de production d'électricité avec piquage en coton SPST. c Les tensions en circuit ouvert et d courants de court-circuit avec prise en coton SPST à différentes fréquences de prise. e Courbes de tension mesurées de divers condensateurs à une fréquence de 3 Hz et une force de 100 N. f Les LED et la montre électrique étaient pilotés par le dispositif SPST-coton

Étant extensible et facile à assembler dans la plupart des parties du corps, le TENG en forme de fil peut être utilisé comme un dispositif électronique portable actif pour détecter les mouvements du corps. Comme le montrent la figure 5a et le fichier supplémentaire 2 :vidéo S3, le dispositif SATT a été fixé sur la figure d'index d'un sujet pour répondre à cinq états de mouvement de flexion-libération. Clairement, les pics de tension de sortie augmentent avec l'élargissement de l'amplitude de mouvement, à savoir, les signaux de surveillance de sortie sont déterminés par les amplitudes des mouvements d'étirement. Les comportements confirment que le SATT peut être utilisé comme un capteur actif auto-alimenté sans alimentation externe pour caractériser quantitativement les états de mouvement des doigts. De plus, les tensions en circuit ouvert du SPST tissé par les unités SCT et SSCT sont stables et indépendantes de la fréquence de fonctionnement, qui pourrait être utilisée comme signaux de sortie de la surveillance de mouvement. Comme le montrent les figures 5b, c, le SPST a été fixé sur les articulations du corps humain pour effectuer la récupération d'énergie et la surveillance de l'état. Lorsque les comportements de flexion et d'extension du coude et du genou apparaissent, le mode de relâchement d'étirement de SPST et le mode de séparation de contact de SPST-coton produisent, ce qui entraîne la génération de signaux électriques alternatifs. De toute évidence, le dispositif SPST répond parfaitement aux exigences concernant la propriété élastique du textile intelligent, et les tensions de sortie pourraient atteindre environ 105 V et 116,9 V aux angles de flexion maximum des articulations du coude et du genou, respectivement. Les courants de sortie de réponse sont respectivement d'environ 0,73 A et 0,89 A. Par conséquent, le SPST soigneusement conçu fournit une méthode d'alimentation prometteuse pour l'électronique portable en récupérant l'énergie de mouvement des articulations du corps et jouera un rôle extrêmement important dans les applications de la formation de rééducation des patients et de l'activité de suivi.

un Le SATT en tant que capteur actif auto-alimenté pour détecter les états de mouvement des doigts. b Le SPST se fixe sur le coude c le genou pour effectuer la récupération d'énergie et la surveillance de l'état

Conclusion

En résumé, cet article présente une électronique portable en forme de fil extensible à base de caoutchouc nouvellement conçue en utilisant des microsphères de verre recouvertes d'argent et du caoutchouc de silicone comme matériaux sources. Le SATT avec une contrainte de 100% peut convertir l'énergie mécanique de traction en énergie électrique par effet électrostatique et est démontré comme un capteur auto-alimenté pour suivre quantitativement les mouvements des articulations des doigts. De plus, les fils triboélectriques SCT et SSCT sont tissés en SPST avec une armure toile traditionnelle, qui génère une tension en circuit ouvert de 8,1 V et un courant de court-circuit de 0,42 A grâce à l'interaction d'étirement-libération entre les unités de tricotage et la puissance de sortie maximale de 163,3 μW à une résistance de charge externe de 120 MΩ dans le mode de piquage SPST-coton. Avec des performances de tension de sortie stables et élevées, le SPST a été identifié comme une source d'alimentation efficace pour fournir l'énergie électrique pour l'électronique commerciale. Étant extensible et portable, le SPST fournit une solution efficace pour récolter l'énergie biomécanique des mouvements articulaires humains et devrait développer un grand potentiel dans les applications des systèmes médicaux et des technologies de suivi intelligent autoalimentées.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires.

Abréviations

SATT :

TENG extensible tout en caoutchouc en forme de fil

SCT :

Fil conducteur extensible

SEM :

Microscopie électronique à balayage.

SPST :

Textile intelligent auto-alimenté

SSCT :

Le SCT recouvert de caoutchouc de silicone

TENG :

Nanogénérateur triboélectrique