智能可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展要求其能量來源更加廣泛、普遍、可再生、綠色且智能。事實(shí)上人體本身就含有多種可再生的能量來源，如生物能、機(jī)械能等，但人體產(chǎn)生的多數(shù)能量未能被充分利用而無辜浪費(fèi)掉了。在人體的眾多能量來源中，人類腳步動(dòng)作具有最大的可被收集的能量，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，此值可高達(dá)67 W，經(jīng)工程優(yōu)化后，腳步所產(chǎn)生的生物機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能量被其他人體智能設(shè)備供能，這些能量轉(zhuǎn)化原理包括壓電、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及摩擦納米發(fā)電（TENG）等。這其中，基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的TENG以其制備簡單、低成本、高效率和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)獲得了研究者的廣泛青睞。但TENG的工作原理使其易受到潮濕環(huán)境的影響，水分子可快速消耗表面電荷，降低輸出電壓。常見的潮濕環(huán)境如人體汗液和自然因素（雨水、雪、霧、露水等）均會(huì)影響其在人體智能電子設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。因此開發(fā)具有低成本、高效率、高輸出、良好防水特性的能量收集裝置對(duì)于智能電子設(shè)備的不斷發(fā)展既是要求，也是挑戰(zhàn)！
基于此，重慶大學(xué)的楊進(jìn)教授、天津大學(xué)的葛磊姣講師和美國加州大學(xué)洛杉磯分校的陳俊教授合作，開發(fā)出了一種不怕潮濕環(huán)境、低成本、具有優(yōu)異電荷收集能力的智能鞋墊。該智能鞋墊的輸出功率高達(dá)580 μW，且不受潮濕環(huán)境的影響，在含有汗液和地面積水的環(huán)境中可點(diǎn)亮260盞LED燈，僅需900s即可充電88 μF的電容器至2.5 V。該工作以“Smart Insole for Robust Wearable Biomechanical Energy Harvesting in Harsh Environments”為題發(fā)表在最新一期的ACS nano雜志上。
根據(jù)人體力學(xué)，該鞋墊分別在前腳和后腳處設(shè)計(jì)了不同的電荷收集裝置。前腳承受人體61%重量，且著力面積大，因此采用平面構(gòu)造；后腳著力面積小且載荷也小，所以采用管狀結(jié)構(gòu)增加輸出。二者的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在此選用PET表面負(fù)載銅片制備第一摩擦層，選用硅橡膠為第二摩擦層，二層之間采用海綿做間隔；在管狀結(jié)構(gòu)中，硅橡膠環(huán)的內(nèi)徑和外徑分別為8 mm和10 mm。
圖1. (a)自然環(huán)境中的水源和人體汗液；(b)12歲男孩足部著地時(shí)各個(gè)部位的壓力；(c)智能鞋墊在鞋子中的結(jié)果示意圖；(d)智能鞋墊的前腳和后腳結(jié)構(gòu)示意圖；(e)智能鞋墊的實(shí)物照片。
通過改變摩擦層的粗糙度、管狀結(jié)構(gòu)的尺寸、腳步動(dòng)作、模擬載荷等多個(gè)因素，作者系統(tǒng)研究了該智能鞋墊的輸出能力。發(fā)現(xiàn)表面粗糙度越高、管狀尺寸越大、載荷越大，則輸出電壓越大，如圖2所示。當(dāng)在外電路中連接電阻為100 MΩ和500 MΩ時(shí)，前腳和后腳處的輸出功率分別達(dá)到最大值：138?μW?和580 μW。整只鞋墊在水中浸泡后，仍然具有與未沾水時(shí)同樣的輸出，實(shí)現(xiàn)了在極端環(huán)境使用的目的，如圖3所示。
圖2. (a)測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)摩擦層表面粗糙度對(duì)輸出性能的影響；(c)管狀結(jié)構(gòu)的長度對(duì)輸出性能的影響；(d)不同人體動(dòng)作對(duì)前腳輸出性能的影響；(e)外部模擬載荷對(duì)輸出性能的影響；(f) 不同人體動(dòng)作對(duì)后腳輸出性能的影響。
圖3. (a)前腳和(b)后腳結(jié)構(gòu)在外連電阻時(shí)的輸出電流和輸出功率值；(c)將智能鞋墊浸泡于水中的結(jié)構(gòu)示意圖和(d)輸出曲線；(e)智能鞋墊點(diǎn)亮260盞LED燈；(f)智能鞋墊為電容器充電曲線。
至此，該智能鞋墊實(shí)現(xiàn)了將人體生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的目的，在不久的未來將在人體傳感網(wǎng)絡(luò)和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大放異彩。
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