Nanogénérateurs triboélectriques filiformes tout-caoutchouc étirables pour la récupération d'énergie portable auto-alimentée et le suivi biomécanique

Résumé

L'électronique intelligente étirable fait progresser rapidement les domaines de la récupération d'énergie du mouvement humain et de la surveillance biomécanique auto-alimentée. Ici, nous rapportons un nouveau nanogénérateur triboélectrique (TENG) filiforme entièrement à base de caoutchouc qui combine des microsphères de verre enrobées d'argent avec du caoutchouc silicone pour former un fil conducteur étirable (SCT), et un SCT enrobé de caoutchouc silicone (SSCT) comme partenaire triboélectrique complémentaire. Le TENG filiforme tout-caoutchouc étirable (SATT) résultant délivre une tension en circuit ouvert de 3,82 V et un courant en court-circuit de 65,8 nA à 100 % de déformation, et différencie de manière fiable des états distincts de mouvement des doigts. Lorsqu'il est tissé dans un textile intelligent auto-alimenté (SPST) en utilisant des unités SCT et SSCT, le dispositif fonctionne en deux modes : étirement-relâchement, générant 8,1 V et 0,42 µA, et contact-séparation, produisant 150 V et 2,45 µA lorsque le textile contacte du coton. Le SPST peut alimenter des appareils électroniques commerciaux et récupérer l'énergie biomécanique des mouvements articulaires, offrant une plateforme pratique pour les générateurs d'énergie portables étirables et les tissus auto-détecteurs.

Introduction

L'électronique portable qui est confortable, douce et respirante devient intégrale à la surveillance biomédicale, la robotique, les interfaces homme-ordinateur, les applications militaires et les dispositifs grand public. Cependant, les batteries et supercondensateurs conventionnels peinent à répondre aux demandes de ces systèmes en raison de leur rigidité, durée de vie limitée, poids ajouté et impact environnemental. Une alternative durable est de récupérer l'énergie mécanique abondante produite par le mouvement humain. Les nanogénérateurs triboélectriques (TENG), qui convertissent la déformation mécanique en énergie électrique via triboélectrification et induction électrostatique, sont légers, peu coûteux et polyvalents, les rendant idéaux pour les wearables auto-alimentés.

Les TENG filiformes ont montré un potentiel pour surveiller des signaux physiologiques tels que les mouvements articulaires, la détection tactile et la détection de pouls. Pourtant, leur étirabilité — une exigence critique pour les mouvements complexes des membres — est restée un défi. Les textiles intelligents existants reposent souvent sur des feuillards métalliques serpentins, des substrats pré-contraints ou des nanofils métalliques, limitant la production à grande échelle et la durabilité.

Pour surmonter ces limitations, nous introduisons un SATT à double hélice tout-caoutchouc qui combine des microsphères de verre enrobées d'argent dispersées dans du caoutchouc silicone (SCT) avec une version enrobée de caoutchouc silicone (SSCT). Cette conception atteint >100 % d'étirabilité, une sortie électrique élevée et une robustesse mécanique, permettant à la fois la récupération d'énergie et la détection auto-alimentée dans un seul fil flexible.

Méthodes

Fabrication du SCT

Des microsphères de verre enrobées d'argent (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., Chine) ont été mélangées avec du caoutchouc silicone solide (TN-920) à un rapport de poids de 3:1 pendant 1,5 h. Le mélange a été extrudé et vulcanisé à 110 °C à l'aide d'une machine d'extrusion à vis, produisant un fil conducteur de 1 mm de diamètre. Cinq tels fils ont été enroulés ensemble, et leurs extrémités ont été enrobées d'un mélange de caoutchouc silicone (Ecoflex 00-30 et agent de durcissement, 1:1) et durcies sous vide (20 min) et à 80 °C (2 h). Le SCT résultant présentait une excellente étirabilité et conductivité.

Fabrication du SSCT

Le SCT a été placé dans un moule de 4 mm de diamètre, et un mélange de caoutchouc silicone (Ecoflex 00-30 + agent de durcissement) a été injecté. Après évacuation et chauffage, le SSCT a été démoulé, produisant un partenaire triboélectrique entièrement encapsulé.

Système de mesure

La microscopie électronique à balayage (MEB) a été réalisée avec un ZEISS EVO18 (Carl Zeiss Jena, Allemagne). Les sorties électriques ont été enregistrées à l'aide d'un électromètre KEITHLEY 2611B.

Résultats et discussion

Le SATT intègre deux fils tout-caoutchouc à double hélice : le SCT, contenant des microsphères enrobées d'argent uniformément dispersées, et le SSCT, un SCT enrobé de caoutchouc silicone. Les détails de fabrication sont montrés en Fig. 1a. La matrice de silicone à haute charge assure une excellente compatibilité mécanique, tandis que les microsphères intégrées forment un réseau conducteur 3D, conférant au SCT une haute conductivité et étirabilité. Les images MEB (Fig. 1b–f) confirment l'absence de gaps entre le noyau conducteur et le revêtement silicone, et la structure globale (Fig. 1g) peut être étirée à ~100 % de déformation — bien au-delà des TENG filiformes précédemment rapportés.

Électriquement, le SATT se comporte comme une série de condensateurs en parallèle. Lorsqu'il est étiré, la surface de silicone et le noyau conducteur se séparent, créant une différence de potentiel qui entraîne les électrons à travers le circuit externe. Le relâchement de la déformation inverse le flux, complétant un cycle complet de transfert de charge.

L'analyse par éléments finis utilisant COMSOL (Fig. 2b) valide ce mécanisme : la différence de potentiel augmente linéairement avec la force de traction appliquée. La résistance du SCT reste stable jusqu'à 50 % de déformation mais augmente modestement à des déformations plus élevées ; l'incorporation de cinq fils conducteurs entrelacés atténue cet effet (Fig. 2c-d). Les essais de durabilité en traction montrent que le SCT maintient ses performances sur 10 000 cycles à 100 % de déformation (Fig. 2e). La sortie électrique évolue avec le nombre de fils conducteurs : un SATT de 5 cm atteint 3,82 V (circuit ouvert) et 65,8 nA (court-circuit) à 100 % de déformation (Fig. 2f-g). Les temps de réponse et de récupération à 1 Hz sont de 48 ms et 220 ms, respectivement, indiquant une adéquation comme capteur de mouvement auto-alimenté.

Pour traduire cette capacité en textile, nous avons tissé des unités SCT et SSCT dans un textile intelligent auto-alimenté à tissage plat (SPST, 5 × 7 cm²) (Fig. 3a-b). Lorsqu'il est étiré à 100 % de déformation, le SPST génère 8,1 V et 0,42 µA (Fig. 3d-e). Pendant le contact-séparation avec du coton, le SPST produit jusqu'à 150 V et 2,45 µA à 100 N (Fig. 4c-d). La puissance de sortie culmine à 163,3 µW sous une charge de 120 MΩ (Fig. 4e). Les tests de stabilité sur 10 000 cycles ne montrent aucune dégradation de tension (Fig. S2). Les expériences de charge de condensateur démontrent qu'un condensateur de 0,47 µF atteint 14 V en 150 s, permettant au SPST d'alimenter des LED et une montre commerciale (Fig. 4f).

Les tests fonctionnels confirment la capacité du SATT à agir comme capteur actif auto-alimenté. Lorsqu'il est attaché à un doigt, le dispositif produit des pics de tension distincts correspondant aux états de flexion (Fig. 5a). Le SPST, lorsqu'il est fixé aux articulations du coude et du genou, délivre 105 V–116,9 V et 0,73 µA–0,89 µA pendant flexion/extension, illustrant son potentiel pour la surveillance de rééducation et le suivi d'activité (Fig. 5b-c).

Conclusion

Nous avons développé un TENG filiforme à double hélice entièrement à base de caoutchouc qui atteint 100 % de déformation, convertit l'énergie mécanique en puissance électrique et sert de capteur auto-alimenté pour les mouvements des doigts et des articulations. Tissé dans un textile à tissage plat, le dispositif délivre 8,1 V/0,42 µA sous étirement et 150 V/2,45 µA pendant contact-séparation, avec une puissance maximale de 163,3 µW. Ces sorties robustes permettent au SPST d'alimenter des appareils électroniques commerciaux, de récupérer l'énergie biomécanique et de soutenir de futures applications médicales et de suivi intelligent.