Nanogenerator Triboelektrik Bentuk Benang Karet Elastis Semua untuk Penambahan Energi Wearable Daya Sendiri dan Pelacakan Biomekanik
Abstrak
Elektronik smart elastis dengan cepat memajukan bidang penambahan energi gerakan manusia dan pemantauan biomekanik daya sendiri. Di sini kami melaporkan nanogenerator triboelektrik bentuk benang (TENG) baru yang sepenuhnya berbasis karet yang menggabungkan mikrosfer kaca lapis perak dengan karet silicone untuk membentuk benang konduktif elastis (SCT), dan SCT lapis karet silicone (SSCT) sebagai pasangan triboelektrik komplementer. TENG benang karet elastis semua yang dihasilkan (SATT) menghasilkan tegangan rangkaian terbuka 3,82 V dan arus rangkaian pendek 65,8 nA pada 100 % regangan, dan secara andal membedakan berbagai keadaan gerakan jari. Jika benen dianyam menjadi tekstil smart daya sendiri (SPST) menggunakan unit SCT dan SSCT, perangkat beroperasi dalam dua mode: regangan-lepas, menghasilkan 8,1 V dan 0,42 µA, dan kontak-pemisahan, menghasilkan 150 V dan 2,45 µA ketika tekstil menyentuh kapas. SPST dapat menyangga elektronika komersial dan menambahkan energi biomekanik dari gerakan sendi, menawarkan platform praktis untuk generator daya wearable elastis dan kain yang bisa merasakan diri.
Pendahuluan
Elektronik wearable yang nyaman, lembut, dan bernapas menjadi integral dalam pemantauan medis, robotika, antarmuka komputer-manusia, aplikasi militer, dan perangkat konsumen. Namun, baterai dan superkapasitor konvensional kesulitan memenuhi kebutuhan sistem ini karena kekakuan mereka, umur terbatas, beban tambahan, dan dampak lingkungan. Alternatif yang berkelanjutan adalah menambahkan energi mekanik yang berlimpah yang dihasilkan oleh gerakan manusia. Nanogenerator triboelektrik (TENG), yang mengubah deformasi mekanik menjadi energi listrik melalui triboelektrifikasi dan induksi elektrostatis, ringan, murah, dan serbaguna, menjadikannya ideal untuk wearable daya sendiri.
TENG bentuk benang telah menunjukkan janji untuk memantau sinyal fisiologis seperti gerakan sendi, sentuhan taktil, dan deteksi nadi. Namun, ketahanan mereka—persyaratan kritis untuk gerakan anggota tubuh kompleks—telah tetap menjadi tantangan. Tekstil smart sering bergantung pada foil logam serpih, substrat yang meregang sebelumnya, atau nanowires logam, yang membatasi produksi skala besar dan daya tahan.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, kami memperkenalkan TENG benang karet elastis semua dengan dua heliks yang menggabungkan mikrosfer kaca lapis perak yang terdistribusi seragam dalam karet silicone (SCT) dengan versi lapis karet silicone (SSCT). Desain ini mencapai >100 % ketahanan, output listrik tinggi, dan daya tahan mekanis, memungkinkan baik penambahan energi maupun pemantauan daya sendiri dalam satu benang fleksibel tunggal.
Metode
Pembuatan SCT
Mikrosfer kaca lapis perak (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., China) dicampur dengan karet silicone padat (TN-920) dengan rasio berat 3:1 selama 1,5 jam. Campuran diekstrusi dan dikurniakan pada 110 °C menggunakan mesin ekstrusi mesin obor, menghasilkan benang konduktif diameter 1 mm. Lima benang seperti ini dianyam bersama, dan ujung-ujungnya dilapisi dengan campuran karet silicone (Ecoflex 00-30 dan agen pemurnian, 1:1) dan dikurniakan di bawah vakum (20 menit) dan 80 °C (2 jam). SCT yang dihasilkan menunjukkan ketahanan dan konduktivitas yang luar biasa.
Pembuatan SSCT
SCT ditempatkan dalam cetakan diameter 4 mm, dan campuran karet silicone (Ecoflex 00-30 + agen pemurnian) disuntikkan. Setelah evakuasi dan pemanasan, SSCT dicetak, menghasilkan pasangan triboelektrik yang sepenuhnya terlindung.
Sistem Pengukuran
Mikroskop elektron semsan (SEM) dilakukan dengan ZEISS EVO18 (Carl Zeiss Jena, Germany). Output listrik direkam menggunakan elektrometer KEITHLEY 2611B.
Hasil dan Pembahasan
SATT mengintegrasikan dua benang karet elastis semua dengan dua heliks: SCT, yang berisi mikrosfer kaca lapis perak yang terdistribusi seragam, dan SSCT, SCT lapis karet silicone. Detail pembuatan ditunjukkan pada Gambar 1a. Matriks karet dengan muatan tinggi memastikan kompatibilitas mekanik yang luar biasa, sementara mikrosfer yang tersemat membentuk jaring konduktif 3-D, memberikan SCT konduktivitas dan ketahanan tinggi. Gambar SEM (Gambar 1b–f) mengonfirmasi tidak ada celah di antara inti konduktif dan lapisan karet silicone, dan struktur keseluruhan (Gambar 1g) dapat diregangkan hingga ~100 % regangan—lebih jauh dari TENG bentuk benang yang telah dilaporkan sebelumnya.
Secara listrik, SATT berperilaku seperti serangkaian kapasitor paralel. Saat diregangkan, permukaan karet silicone dan inti konduktif terpisah, menciptakan perbedaan potensi yang menggerakkan elektron melalui rangkaian eksternal. Melepaskan regangan mengalikirkan aliran, menyelesaikan siklus penuh transfer muatan.
Analisis elemen hingga dengan COMSOL (Gambar 2b) memvalidasi mekanisme ini: perbedaan potensi meningkat linier dengan gaya tarik yang diterapkan. Resistensi SCT tetap stabil hingga 50 % regangan tetapi naik sedikit pada regangan yang lebih tinggi; penggabungan lima benang konduktif yang saling berheliks mengurangi efek ini (Gambar 2c-d). Uji daya tahan tarik menunjukkan bahwa SCT mempertahankan performa selama 10.000 siklus pada 100 % regangan (Gambar 2e). Output listrik bertambah dengan jumlah benang konduktif: SATT 5 cm mencapai 3,82 V (rangkaian terbuka) dan 65,8 nA (rangkaian pendek) pada 100 % regangan (Gambar 2f-g). Waktu respons dan pemulihan pada 1 Hz adalah 48 ms dan 220 ms, masing-masing, yang menunjukkan kesesuaiannya sebagai sensor gerakan daya sendiri.
Untuk menterjemahkan kemampuan ini menjadi tekstil, kami menyanykan unit SCT dan SSCT menjadi tekstil smart daya sendiri (SPST, 5 × 7 cm2) dengan anyaman polos (Gambar 3a-b). Saat diregangkan hingga 100 % regangan, SPST menghasilkan 8,1 V dan 0,42 µA (Gambar 3d-e). Selama kontak-pemisahan dengan kapas, SPST menghasilkan hingga 150 V dan 2,45 µA pada 100 N (Gambar 4c-d). Output daya puncak sebesar 163,3 µW di bawah beban 120 MΩ (Gambar 4e). Uji stabilitas selama 10.000 siklus tidak menunjukkan degradasi tegangan (Gambar S2). Eksperimen pengisian kapasitor menunjukkan bahwa kapasitor 0,47 µF mencapai 14 V dalam 150 detik, memungkinkan SPST untuk menyangga LED dan jam komersial (Gambar 4f).
Uji fungsional mengonfirmasi kemampuan SATT sebagai sensor aktif daya sendiri. Saat dipasang pada jari, perangkat menghasilkan puncak tegangan yang berbeda yang sesuai dengan keadaan lengkungan (Gambar 5a). SPST, saat dipasang pada sendi lutut dan lutut, menghasilkan 105 V–116,9 V dan 0,73 µA–0,89 µA selama fleksi/ekstensi, menggambarkan potensinya untuk pemantauan rehabilitasi dan pelacakan aktivitas (Gambar 5b-c).
Kesimpulan
Kami telah mengembangkan TENG bentuk benang dua heliks yang sepenuhnya berbasis karet yang mencapai 100 % regangan, mengubah energi mekanik menjadi daya listrik, dan berfungsi sebagai sensor daya sendiri untuk gerakan jari dan sendi. Benen menjadi tekstil anyaman polos, perangkat memberikan 8,1 V/0,42 µA di bawah regangan dan 150 V/2,45 µA selama kontak-pemisahan, dengan daya maksimum 163,3 µW. Output yang kuat ini memungkinkan SPST untuk menyangga elektronika komersial, menambahkan energi biomekanik, dan mendukung aplikasi medis dan pelacakan smart di masa depan.
