【人物与科研】中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组：自供能足底压力成像系统

导语

自纳米发电机以及自供能系统概念问世以来，研究人员已经研发出各式摩擦纳米发电机和复合式纳米发电机用于收集环境中广泛存在、原本被浪费的机械能，并将这些微小的能量收集起来，作为电源供小型用电设备使用，以实现自供能系统。同时，基于纳米发电机自供能传感器或健康监测系统也得到了广泛而深入的研究。与心率、血压、血糖含量等生理数据一样，足底压力分布的信息对于健康监测也有着重要的意义。但是，现有的足底压力监测系统或者体积较大、不便穿戴和实时测量，或者受限于传统电池的使用寿命、无法长时间监测。近日，为克服传统电池的限制，在中国科学院纳米能源与系统研究所所长，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士的带领下，唐伟副研究员，邓超然（共同一作）等人组成的研究团队开发了一种自供能足底压力成像系统，可以满足连续长时间的实时监测的需求（DOI：10.1002/adfm.201801606）。

王中林院士简介

王中林院士是国际纳米科技领域具有重要学术影响的科学家。他的研究具有原创性，前瞻性和引领性。王中林院士在2006年首次发明了压电纳米发电机，在2012年成功研发了摩擦纳米发电机。纳米发电机能够将机械能直接转换为电能输出，为有效收集机械能提供一个全新模式，除此之外，纳米发电机还可以作为自驱动传感器来检测机械型号。课题组重点开展压电和摩擦式纳米发电机和压电电子学应用基础、功能器件及集成系统研究，包括纳米能源器件、主动式微纳传感器、自驱动纳米器件与系统，并探索其在新能源、传感器网络和人机交互等领域的应用，典型的例子包括可穿戴的摩擦纳米发电机能量收集装置（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 14695-14701; Nano Res., 2015, 8, 3934-3943; Nano Res., 2018, DOI: 10.1007/s12274-018-1978-z）；摩擦纳米发电机驱动无线传感器（Nano technology, 2014, 25, 225402），摩擦电子学场效应晶体管及逻辑电路（Adv. Mater., 2015, 27, 3353-3540; Nano Res., 2017, 10, 3534-3542），触觉传感器与电子皮肤（ACS Nano, 2016, 20, 10912-10929;  ACS Nano, 2016, 10, 8078-8086; Adv Funct. Mater., 2016, 26, 4906-4913），收集大规模蓝色能源——海洋能（ACS Nano, 2015, 9, 12562-12572; Nano Energy, 2017, 39, 9-23; Nature, 2017, 542, 159; ACS Nano, 2018, 12, 1849-1858）。

王中林，1982毕业于西北电讯工程学院（现名西安电子科技大学），并于同年考取中美联合招收的物理研究生（CUSPEA）。1987年获亚利桑那州立大学物理学博士，从师于国际电子显微学权威 John Cowley 教授。王中林博士现为佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长兼首席科学家，中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。王中林是国际公认的纳米科技领域领军人物，在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术及生物技术等应用方面均做出了原创性重大贡献。发明了压电纳米发电机、摩擦纳米发电机，并首先提出了自驱动系统的概念，开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，为微纳电子系统的发展开辟了新途径。王中林已在国际一流刊物上发表了超过1300篇期刊论文（其中31篇发表在Science、Nature及Nature子刊上），6本科学专著，超过200项专利。他已被邀请做过850多次学术讲演和大会特邀报告。他的学术论文已被引用113,000次以上，H因子（h-index）为165。他是世界上材料和纳米技术论文引用次数最多的前五位作者之一，是当今世界最杰出的科学家排名榜的第25名。

前沿科研成果

自供能足底压力成像系统

中国科学院北京纳米能源与系统研究所在自驱动系统与自驱动传感领域做出了一系列开创性的工作。2011年，王中林院士首次提出了自驱动系统的概念（Nano Letters, 2011, 11, 2572-2577），指出一个完整集成的自驱动系统由能量收集器、能量存储器、传感器、数据处理器、控制单元以及通信系统组成。

图1：自驱动系统结构示意图

（来源：Nano Letters, 2011, 11, 2572-2577）

自驱动系统的关键是必须有一个能量收集器来收集环境中存在的能源，这些能源包括但不限于振动、声音、风和水利的机械能，以及热能、太阳能和化学能等。为了利用好周围环境中的能源，与纳米发电机复合、并且可以同时收集机械能和其他能量的复合型能量单元被发明出来。摩擦纳米发电机还可以与传统的电磁发电机相结合，构成的摩擦-电磁复合纳米发电机可以高效的收集机械能（Nanotechnology, 2014, 25, 135402; Nano Res., 2018, DOI: 10.1007/s12274-018-1978-z）。

图2：摩擦-电磁复合纳米发电机

（来源：Nano Res., 2018, DOI: 10.1007/s12274-018-1978-z）

除了作为能量收集装置，纳米发电机的另一个应用是主动式传感器。在这方面，王中林院士的研究团队完成了一系列基于压电纳米发电机的压力传感器以及基于摩擦纳米发电机的压力/触觉传感器（Nano Lett., 2012, 12, 3109-3114; Extreme Mechanics Letters, 2015, 2, 28-36; Science Advances, 2017, 3, e1700694; Adv. Mater., 2017, 29, 1606346; ACS Nano, 2018, 12 , 254–262），这些传感器不仅在智能电子设备和人机交互领域具有潜在的应用价值，还为长时间的生物信号检测提供了新的解决思路。

与心率、脉搏等生理信号一样，足底压力分布状态也是重要的生理信号，特别是足跟、中足外侧以及跖骨等许多区域的压力值，都是诊断疾病、预防足底损伤的重要医学指征。传统的足底压力监测系统，或者由于测试板体积庞大、不便穿戴测量，或者受限于功耗和电池的寿命，不能实现长时间连续监测。为解决这一问题，研究团队使用基于PVDF的压电纳米发电机作为自供能传感器，在柔性印刷电路板（FPC）上直接安装32片PVDF压电薄膜的方法制备了压力传感阵列，与多步微结构加工工艺相比，这种方法能够以较低成本大量制造可集成到智能鞋垫中的压力传感阵列。

图3：自供能足底压力成像系统示意图 ：(a) 足底压力成像系统示意图。(b) 包含有PVDF薄膜和FPC的传感器的结构示意图。(c) 压力下单个传感器的工作原理。(d) PVDF薄膜的SEM图像。(e) 整个足底压力成像系统的光学照片。

（来源：Adv Funct Mater., 2018, 28(23), 201801606）

由于PVDF压电纳米发电机具有输出阻抗高、热释电噪声较多等问题，其输出的原始信号不能被直接利用，为此作者设计了电荷放大器将其原始输出线性地转换为可以供商用电子芯片直接利用的电压信号，同时测试了传感器以及电荷放大器所构成的传感单元的的输出特性，响应速度，耐久性能以及工作环境对其可能造成的影响。为了满足实用的需求，作者分别测试了金属重物滚动和人行走时，整个阵列中各通道的输出随压力变化的影响。如图4(b, c)所示，重物依次滚过各个传感器的整个过程中，压力引起不同通道的输出，可以清楚的看到，各个通道对重物滚过做出的快速响应、并且通道之间没有相互影响。图4(d)中展示的是各个通道随人体运动做出的响应。

图4：传感器阵列的测试 (a) 选取的压力传感单元的位置示意图。(b) 重物滚过粘贴有压力传感阵列的柔性电路板时，引起的传感单元的输出变化。(c) 穿戴粘贴有压力传感阵列的柔性电路板行走时，选取的传感单元的输出变化。(d) 以强度图的形式显示压力大小变化。

（来源：Adv Funct Mater., 2018, 28(23), 201801606）

实验结果显示足跟首先接触传感器，此时对应3号和8号传感器位置的通道会有一个迅速升高输出响应；随着动作继续，3号和8号的输出降低，足底压力分布向前移动，可以看到5号和6号传感器对应的通道会有上升的电压输出；当行走的动作即将完成，前脚掌发力离开地面时，可以看到5号和6号传感器对应通道输出迅速降低，而1号和2号传感器对应电荷放大器的输出随行走状态的改变先上升后缓慢减小。这就是通过基于PVDF压电纳米发电机制备的压力传感器和使用电荷放大器作为模拟信号调理电路，对人在行走时足底压力分布变化的测试结果。

为了将压采集到的压力信号转换为数字信号，团队自行研发了一个数据采集电路板（DAQ）上，对各个通道的采集结果进行数据转换，转换后的结果通过蓝牙4.2协议传输到移动终端上。通过使用配套的Android应用程序，整个足底压力成像系统可以准确监测并可视化地显示行走过程中的实时压力分布。更重要的是，DAQ具有很低的工作电流，这意味之前的工作中设计的纳米发电机可以为着数据采集电路提供电源：通过与摩擦-电磁复合纳米发电机相结合，团队开发了一种自供电的，可连续工作的实时压力分布监测系统。

图5：用于足底压力成像系统的智能鞋垫。(a, c) 足底压力成像系统单点(或两点)压力接触照片。(b, d) 分别对应图 (a, c) 的动作，应用软件执行结果压力分布重建的结果。(e) 数据采集电路DAQ，4 F电容和纽扣电池的光学照片。(f) 工作电流测试结果。(g, h) 使用摩擦-电磁复合纳米发电机和预充电电容驱动DAQ。

（来源：Adv Funct Mater., 2018, 28(23), 201801606）

在基于压电纳米发电机和复合式摩擦纳米发电机的研究基础上，作者提出了一种压力成像系统，整个系统包括基于压电纳米发电机的主动式传感器阵列、低功耗数据采集电路以及配套的Android应用程序，实现了自供能足底压力的实时监测。这项工作为鞋类设计，运动生物力学信息获取，避免运动伤害以及预防糖尿病引起的溃疡提供了一个可行的解决方案。

这一成果近期发表在 Adv Funct Mater.上，该论文作者为：Chaoran Deng, Wei Tang（共同一作）, Long Liu（共同一作）, Baodong Chen, Meicheng Li,* and Zhong Lin Wang* 。

关于人物与科研

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