中科院纳米能源所王中林院士课题组ACS AMI：基于超可拉伸水凝胶导体的自供电智能手臂训练带传感器

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可拉伸电子技术的发展促进了摩擦纳米发电机（TENG）在柔性可穿戴电子产品中的应用。然而，大多数柔性电子产品无法同时达到极强的可拉伸性、透明性和高导电性的要求。

在此，中科院北京纳米能源与系统研究所报道了一种由海藻酸钠/硫酸锌/聚丙烯酰胺双网络聚合物离子导电（SA-Zn）水凝胶构建的TENG，其中水凝胶具有出色的拉伸性（>10,000%）、高透明度（>95%）和良好的导电性（0.34 S·m^-1）。SA-Zn水凝胶TENG，可以从人体运动中获取能量，例如弯曲、拉伸和扭曲。此外，SH-TENG可用于制备自供能智能弹力带传感器，用于监测手臂伸展运动。这项工作可能为下一代可持续的可穿戴和运动监测电子设备提供一个创新平台。

选择SA、AA和AM单体和硫酸锌（ZnSO₄）来制备超拉伸离子导体水凝胶电极。由两种大分子单体（SA和PAA）构建的双网络结构和动态相互作用大大提高了水凝胶的拉伸性能。此外，在过度拉伸后，它可以在一段时间内恢复到原来的形状。此外，锌离子可以与聚合物链上的双网络结构结合以控制离子迁移，从而提高水凝胶的导电性和拉伸性。 

图1. SA、AA、AM 单体通过动态交联形成双网络水凝胶的过程。

图2. SA-Zn水凝胶的机械性能。(a, b) SA-Zn水凝胶顺应性、透明度和导电性的照片。(c) SA-Zn水凝胶和不同厚度的ecoflex（0.5、1.0 毫米）封装SH-TENG的紫外-可见光透射光谱。(d) AA和AM不同比例的水凝胶力学性能的拉伸曲线对比。插图是AA和AM进料比为1:3的SA-Zn水凝胶在原始和拉伸状态下的图像。(e) SA-Zn水凝胶在500-3500%应变下的加载-卸载拉伸曲线。(f) SA-Zn水凝胶的可逆拉伸 (j) SA-Zn水凝胶在不同温度下机械性能的拉伸曲线。

图3. 基于SA-Zn水凝胶的纳米发电机的性能。(a) SA-Zn水凝胶TENG的示意图。(b) SH-TENG原始和可折叠状态的照片。(c)SH-TENG的能量收集机制。(d) SH-TENG的仿真示意图。(e) V_OC、(f) I_SC和(g) Q_SC分别为SH-TENG在不同工作频率（0.5-5Hz）和3N力载荷下的输出。(h) SH-TENG对不同商用电容器（0.1、1.0、2.2、4.7、6.8和10 μF）的充电电压曲线。(i) 外部负载电阻从10⁴到5×10¹⁰Ω的电流和功率密度与外部负载电阻之间的关系。(j) TENG的稳定性分析。

图4. SH-TENG的应用展示。(a)照片显示TENG可以点亮234个商用绿色LED。(b) 手腕运动状态下SH-TENG的信号输出。插图是SH-TENG贴服在手腕上。(c) SH-TENG在手指30°、60°和90°弯曲角度下的电压输出。插图是固定在手指上的SH-TENG的图片。(d) SH-TENG弹力带不同拉伸状态的照片。(e) 通过拉伸SH-TENG得到力和输出电压之间的关系。(f) SH-TENG拉伸过程中消耗的卡路里。(g) SA-Zn水凝胶TENG智能训练带的应用。(h)自供电智能弹力带在实际应用中的实时演示过程，包括信号采集处理系统和实时软件输出接口。

综上所述，开发了基于导电水凝胶的SH-TENG功能性弹力训练带传感器，用于监测拉伸运动中的数据。所提出的SH-TENG未来可能在医疗监测和康复、电子皮肤、自供电传感器和人机交互等领域具有潜在应用。相关研究成果以题为“Self-Powered Smart Arm Training Band Sensor Based on Extremely Stretchable Hydrogel Conductors”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的第一作者为广西大学博士生盛非凡，目前在中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组进行联合培养。通讯作者为中科院北京纳米能源与系统研究所董凯副研究员和王中林院士。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c12378

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