【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研究团队：电子皮肤式可拉伸纱线埋入摩擦纳米发电机

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导语

能够同时兼备能量采集和自驱动信号传感功能的可拉伸柔性传感器对于当今可穿戴电子器件的发展至关重要。然而，将这两种功能结合在一种电子皮肤器件内的研究鲜有报道。近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究团队设计了一种可拉伸、可机洗的电子皮肤式摩擦纳米发电机，该器件主要用于机械能量采集和多功能压力信号传感（Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804944）。

王中林院士简介

王中林，1987年博士毕业于美国亚利桑那州立大学，国际顶尖纳米科学家、能源技术专家，中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长。王中林教授的主要研究方向为纳米材料科学的理论和应用研究，包括（1）氧化锌纳米材料的合成、表征、生长机理和应用；（2）纳米材料可控生长、表征和应用；（3）纳米能源技术和自驱动纳系统技术；（4）压电电子学和压电光电子学。 

王中林教授在国际一流刊物上发表了1100篇论文（其中12篇Science，4篇Nature，15篇Nature子刊），150项专利，5本专著以及20余本编辑书籍和会议文集。已被邀请做过900多次学术讲演和大会特邀报告。发表的论文已被引用145,000次以上，H因子184。他是世界上在材料和纳米技术领域论文引用次数最多的前五位作者之一，在当今世界最杰出的科学家排名榜上第25名。王中林教授于2018年获世界能源领域最权威、最负盛名埃尼奖（前沿能源奖）。

前沿科研成果

一种可拉伸纱线埋入摩擦纳米发电机

作为电子皮肤用于生物机械能量采集

和多功能压力传感

通过功能性电子设备模拟人体皮肤的基本特征是开发智能设备的重要途径。具有与人体皮肤相似传感能力的电子皮肤，无论在商业开发还是科学研究领域都具有广泛的研究价值。为了具备人体皮肤的独特功能，电子皮肤必须与动态不规则曲面共形，并且能够承受多种复杂持久的机械刺激，比如压力、应变、扭转等。另外，作为一种多功能传感器，它必须能够满足高可拉伸性、高灵敏度、宽采集频率、和快响应速度等要求。

近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究团队在Adv. Mater.上发表了题为“A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing”的研究论文(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804944)。研究团队以简单、低成本的方法制备了一种可拉伸和可共形的摩擦纳米发电机作为一种功能性的电子皮肤，其能够同时采集机械能量和感应多种外界机械刺激。由三束扭转镀银尼龙纱线缠绕而成的连续、平面链条状交织的导电网络被埋入到硅胶弹性体中，这一设计赋予该电子皮肤式摩擦纳米发电机以足够的透明度、良好的拉伸性、较高的压力灵敏度和优异的力学稳定性。一块80×40 mm²的该种电子皮肤能够产生160 V的开路电压和230 mW·m^-2的平均功率输出。这些电能输出能够点亮至少170盏LED灯，可为商业电容器充电、驱动电子手表等。并且，它还可以用于监测人体生理信号，例如动脉脉搏和声音振动。在该文中，王中林研究团队同时也设计了一种智能假肢、一种实时计步器/速度计、一种柔性数字键盘和一种具有8×8像素的压力传感阵列。该研究团队开发的电子皮肤式纱线埋入摩擦纳米发电机在可穿戴电子设备、仿人机器人、健康监测和人机交互界面具有广泛的应用前景。

图1. 电子皮肤式摩擦纳米发电机的结构设计图和工作机理图

（来源：Adv. Mater.）

首先，作者选用三束扭转镀银尼龙纱线和硅胶弹性体制备电子皮肤式摩擦纳米发电机。三束扭转镀银尼龙纱线被缠绕成平面栅栏式网络结构。该电子皮肤具有一定的透明性和可拉伸性，能够共形于任何复杂曲面。此外，作者还进一步揭示了其摩擦纳米发电工作机理（图1）。

图2. 电子皮肤式摩擦纳米发电机的电输出性能

（来源：Adv. Mater.）

为了表征该电子皮肤式摩擦纳米发电机的电输出性能，作者进一步测量并分析了不同电极材料以及在不同纱线电极参数下的电输出性能。测量结果表面当纱线缠绕电极的屈曲波宽和波高为3.24 mm时，该电子皮肤具有最大的电输出性能（图2）。

图3. 电子皮肤式摩擦纳米发电机的机械能采集和生理信号监测能力

（来源：Adv. Mater.）

其次，作者表征了该电子皮肤式摩擦纳米发电机的能量采集能力、压力灵敏性和生理监测能力。该电子皮肤可以点亮至少170盏LED灯，为商业电容器充电，驱动小型电子设备。作为压力传感器，该电子皮肤可以实时监测人体生理信号，比如人体脉搏跳动或喉咙发音振动等（图3）。

图4. 电子皮肤式摩擦纳米发电机作为压力传感器的多功能应用

（来源：Adv. Mater.）

此外，基于该电子皮肤式摩擦纳米发电机具有高灵敏度的压力传感能力，作者同时设计了一种智能假肢、一种实时计步器/速度计以及一种柔性数字键盘。这些多功能应用进一步验证了该电子皮肤式摩擦纳米发电机作为压力传感器件在可穿戴电子设备中的应用潜力（图4）。

图5. 可拉伸压力传感阵列

（来源：Adv. Mater.）

最后，作者根据上述电子皮肤式摩擦纳米发电机设计了一种可拉伸的压力传感阵列，用于实时监测或量化平面应力分布。这种电子皮肤式压力传感阵列为设计人造电子皮肤提供了一种简单、可靠和自供电的方法，其在人机交互界面尤其是多点触控设备中具有潜在的应用（图5）。

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