新一代可穿戴電子設備需要具有柔性、可變形、可拉伸、生物相容性和防水等特性。可穿戴電子設備的快速發(fā)展迫切需要與之匹配的可持續(xù)電能供給。然而，如何研制出一種同時具有良好的可拉伸性，又能在多種復雜環(huán)境中都可以正常工作的一種電能轉(zhuǎn)換裝置，是一個很大的挑戰(zhàn)。

電鰻可以通過其獨特的發(fā)電器官在水下產(chǎn)生高達數(shù)千伏的電壓。在發(fā)電細胞的一個神經(jīng)沖動過程中，當受到神經(jīng)遞質(zhì)的刺激，細胞膜上的離子通道開啟，鈉離子流入，鉀離子流出，從而產(chǎn)生一個150mV的膜電位。李舟團隊受發(fā)電細胞上細胞膜離子通道的啟發(fā)，利用聚二甲基硅氧烷和硅膠之間的應力失配效應，設計了一種機械敏感性的仿生通道，并將其用于構(gòu)造一種可拉伸的發(fā)電機（BSNG, bionic stretchable nanogenerator）。在BSNG的一個工作周期中，當受到機械牽拉刺激時，仿生通道開啟，發(fā)電機內(nèi)部的起電液體開始流動，在液體摩擦起電和靜電感應的耦合作用下產(chǎn)生一個高達10V的開路電壓。

這種仿電鰻的可拉伸發(fā)電機是一款可以在水下正常工作的彈性拉伸能量轉(zhuǎn)換器。BSNG周圍的硅膠層充當類似電鰻的厚脂肪層，起絕緣和保護內(nèi)部仿生結(jié)構(gòu)的作用，確保了器件卓越的抗拉疲勞性能和穩(wěn)定的輸出性能（5萬次單軸拉伸測試后發(fā)電機的輸出沒有任何衰減）。此外，BSNG同時還具有良好的可拉伸性（拉伸率超過60%）和機械響應性。

圖1 仿電鰻的可拉伸水下發(fā)電機

在該工作中，BSNG可作為自驅(qū)動傳感器，研究者將BSNG與潛水服整合，并結(jié)合多通道藍牙無線傳輸模塊，構(gòu)建出一套水下無線多位點人體運動監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，不同泳姿下的運動信號都可以被同步傳輸顯示和記錄，可以用于泳姿的矯正和針對性訓練。該系統(tǒng)還可以用于監(jiān)測水下工作者的運動狀態(tài)，從而起到預警的作用。

此外，研究團隊還構(gòu)建了一套基于BSNG的水下救援系統(tǒng)，用于在水下危險特殊情況的遠程求救警報。穿戴者只需在水下活動一段時間，固定于關節(jié)處的BSNG便可收集來自人體運動的機械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲到電容器中，當遇到緊急情況時，只需拍打胸前的報警觸發(fā)器，便可遠程點亮救援信號燈。良好的可拉伸性，優(yōu)秀的水下輸出性能和出色的抗拉疲勞性使BSNG可以作為水下自驅(qū)動傳感器和能量采集裝置，為可穿戴電子設備的水下可持續(xù)供電帶來了新的機遇。

圖2 基于BSNG的水下無線運動監(jiān)測系統(tǒng)

王中林和李舟領導的研究團隊一直致力于自驅(qū)動可穿戴電子器件的研究。2017-2019年間，研究團隊成功研制出了可用于心血管疾病診斷的自驅(qū)動可穿戴脈搏傳感器（Advanced Materials, 2017, 1703456）；在穿戴式能量存儲器件方面，研發(fā)出基于活性炭涂覆的石墨烯纖維可穿戴線形超級電容器（ACS applied materials & interfaces, 2018, 10(40): 34302-34310）；基于人體靜電效應，提出了一套基于人體靜電的自驅(qū)動系統(tǒng)，可用于穿戴式和植入式電子設備相關的應用（ACS Nano, 2019,13,(5):6017-6024）；此外，研究團隊還總結(jié)展望了近些年可穿戴和植入式納米發(fā)電機的相關研究及應用（Advanced Functional Materials, 2019, 1808820）。

目前，李舟團隊在可拉伸能量轉(zhuǎn)換器件的研究方面實現(xiàn)了一個新的突破，然而，器件的小型化與智能化還有待進一步解決。在未來，BSNG有望應用于電子皮膚、軟體機器人的主動感知，以及可穿戴電子產(chǎn)品和植入式醫(yī)療設備的持續(xù)電能供給。在這個物聯(lián)網(wǎng)與各種新型電子產(chǎn)品并行飛速發(fā)展的時代，自驅(qū)動能源的新時代儼然將隨之到來。

相關研究成果以A bionic stretchable nanogenerator for underwater sensing and energy harvesting 為題發(fā)表在近期（6月19日）的國際學術(shù)期刊《自然-通訊》上（Nature Communications, 2019,10:2695）。該文章的第一作者為鄒洋、談溥川、石波璟，通訊作者為王中林、樊瑜波和李舟。該項工作得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金、中國科學院大學以及國家萬人計劃“青年拔尖”人才項目的支持。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10433-4

來源：高分子科學前沿