自供电电子皮肤之生物相容性摩擦纳米发电机

研究背景

过去几年，下一代生物相容性、可生物降解、柔软和柔性电子产品因其在软机器人、柔性光电、智能纺织品和用于智能传感和医疗保健的电子皮肤中的大量应用而备受关注。因其在人工智能、人机交互、医疗保健监测和人工假体方面的巨大潜力，开发模仿人体感觉系统的贴身电子皮肤引起了极大的关注。皮肤是人类身体中最大的感觉器官，帮助我们通过专门的感觉受体与环境进行交流，例如接触压力、温度变化、纹理和形状等。为了模仿人类皮肤的复杂感知，将各种类型的功能性电子器件集成到一个柔性或弹性体系，可以同时感知和区分外部物理、化学和生物信号。电子皮肤同时也要求具有更高的分表率，这将增加传感单元和电极的数量，从而增加生产、信号干扰、电极提取和数据处理的成本。考虑到某些实际应用场景中要求电子皮肤即使在无电源的条件下也可以稳定运行（图 1A），自供电电子系统被证明是应用于医疗保健和智能电子产品的有前途的解决方案之一。自供电设备利用不同的机制，包括电阻、电容和摩擦电效应以及传感器模仿人体皮肤的感知能力。特别是基于摩擦纳米发电机 (TENG) 的柔性和便携式人造皮肤在过去几年中得到了发展。传感机制有其自身的特性，这些特性取决于器件的活性材料和结构。机械能收集系统 （TENG）是基于两种不同材料界面处的摩擦起电和静电感应。所有材料都有不同的表面电荷密度，这决定了它们的摩擦电序。当材料接触时，电子根据摩擦电序在材料之间转移，从而导致相对电极产生一定的电位差。触发运动会改变材料之间的电位，并引导电子流过外部负载以保持静电平衡。自 2012 年 王中林教授发明 TENG 以来，TENG 因其输出大、重量轻、环保和通用可用性而收到广泛研究。多功能 TENG 设备与功能性电子皮肤的集成为下一代电子产品中的可穿戴电子产品、人员医疗保健和人机交互开辟了新途径。

成果简介

韩国成均馆大学Sang-Woo Kim团队在EcoMat发表了题为“Recent trends of biocompatible triboelectric nanogenerators toward self‐powered e‐skin”的综述性文章，讨论了用于可穿戴电子产品、机器人、皮肤和健康监测应用的自供电电子皮肤传感器的最新进展。第一部分讨论了用于制造电子皮肤的材料及其优点。第二部分简要解释了不同类型的传感器，如温度、应变和化学传感器，并对其面临的挑战进行了批判性分析。

内容详情

Figure 1 A, Schematic illustration of e‐skin application. B, Fundamental modes of TENGs like vertical contact mode, lateral sliding mode, single electrode mode, and free‐standing triboelectric layer mode

Figure 2 A, Schematic representation self‐healing process and TENG. B, Output V_OC and Q_SC. C, I_SC. D, The uniaxial tensile stress‐strain profiles of pristine H‐PDMS and H‐PDMS healed for different periods of time. E, F, Optical image of self‐healing and corresponding output (V_OC). G, Schematic illustration self‐healing hydrogel. H, I, Tensile tests of the PVA/PDAP/MWCNT hydrogels after water and NIR triggered self‐healing for different periods of time. J, Electrical response of HS‐TENG with different composition. K, L, Charging commercial capacitor with HS‐TENG at different working frequencies.

Figure 3 A, Representative nature‐oriented biocompatible/biodegradable materials, and B, Immunofluorescence image stained L929 cells that were cultured on nature‐oriented films (BP and Chitin). Scale bar: 50 μm. C, Real image of biocompatible films of RP, chitin. D, Triboelectric property of biocompatible/biodegradable films based on a level of transferred charges when they get contact with Kapton film. E, Biodegradability of film and relevant computational studies in vitro. F, Output performance of biodegradable TENG as a function of time. G, Fluorescence images of stained L929 cells that were cultured on biocompatible synthetic film (polydimethylsiloxane; PDMS); the scale bar is 50 μm. H, Photograph of the PDMS based self‐powered e‐skin array mounted on the wrist. I, Schematic description of a 3 × 3 PDMS based self‐powered e‐skin device. J, Schematic description of the movement of a ball over PDMS friction layer and corresponding spatial mapping in terms of ΔI_ds.

Figure 4 A, Schematic showing optical image of rollable silk protein‐based strain sensor and the triboelectric nanogenerator. B, AFM image of the patterned AgNW/silk films. C, Electrical outputs of the bio‐TENG in the relative mechanical contact‐separation with a glass plate. D, E Open‐circuit voltage and the short‐circuit current of the fabricated bio‐TENG device upon tapping with a finger. F, The stability of the bio‐TENG device at the frequency of 5 Hz (2500 cycles). G, Optical image of self‐healing hydrogel. H, I, Output of capacitance with respect to bending finger, swallowing, breathing modes, wrist, and blood pressure.

结论

本综述总结了用于自供电电子皮肤的自修复、可拉伸性、可生物降解和生物相容性纳米发电机的最新发展。作者讨论了自愈合 TENG 的最新发展。基于水凝胶的导体已被广泛用作单电极自供电传感器。然而，水凝胶保水能力差，不适合长期使用。这个问题可以通过适当封装水凝胶表面来解决。作者认为，单电极导电水凝胶的制备及其机械强度的提高将对基于生物电子的技术产生影响。设备的自我修复将显着提高 TENG 的寿命、性能、稳定性和耐用性。然而，针对自修复 TENG 的研究较少，可以通过探索具有优异摩擦电特性的新型可修复材料来开发自修复 TENG。鉴于上述用于电子皮肤的纳米发电机仍处于发展的早期阶段，因此作者讨论了自供电电子皮肤电子设备的意义和重要性。作者课题组设想了自供电电子皮肤的未来进展，该皮肤将由自修复、可拉伸、生物相容性、可植入和可生物降解的纳米发电机驱动。自愈合特性可以克服电子皮肤中传感器材料机械稳定性低的问题，电子皮肤旨在连续读取和响应给定的环境变化。

至于生物相容性功能，包括驱动电子皮肤所需的传感器在内的所有组件都安装在皮肤上。因此，开发基于生物相容性材料的电子皮肤至关重要。

如果暂时使用并最终希望以自然方式降解，则有必要开发可生物降解的电子皮肤。

考虑到我们皮肤的弹性，可拉伸和柔性是电子皮肤的重要特征之一。

文献信息

R. Sankar Ganesh, Hong-Joon Yoon, Sang-Woo Kim*, Recent trends of biocompatible triboelectric nanogenerators toward self-powered e-skin, EcoMat, 2020, 2, e12065.原文链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12065

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