嵌入摩擦生電納米發電器的可伸縮紗線，可作為電子面板，用於生物力學能量收集和多功能壓力感知

摘要:幾乎沒有研究將能量收集和自供電感知 整合到單個電子面板系統中。

SI-TENC (skin-inspired triboelectric nanogenerator)

由三股扭曲的鍍銀尼龍線製成的平面可設計的導電紗線網路嵌入到彈性體中，賦予SI-TENC良好的拉伸效能，靈敏度高，檢測精度高，響應速度快，機械穩定性好。 最大平均功率密度為 230mW $m^{-}$

要覆蓋動態的不規則的表面和承受大量重複和長時間的機械刺激，比如壓力,應變和彎曲。同時，還要有高伸縮性，高靈敏度，寬的感知範圍和快速響應。

sensor: 基於壓電效應[6, 18, 19]電容[20,21],壓阻效應[1, 10, 22-24]

這種套話在論文中是可以用的。
依靠不同的活性材料和器件結構，每一種感知機制都有自己的特點。基於壓電效應的壓電感測器能夠將機械訊號轉換為電訊號，其具有超快響應，高靈敏度和低功耗。但是柔性，伸縮性較差，不能感知低的壓力。壓阻感測器依靠施加壓力時電阻的變化。製造和器件結構簡單，低能耗，大範圍壓力感知，壓阻感測器被廣泛研究，大多數感知很差，不能感知低壓。電容感測器利用外部接觸產生的電容變化，雖然他們在商業上取得了巨大的成功，小模量非結構彈性介質上的電容式感測器具有低壓縮性和高粘彈性，分別導致靈敏度低、響應慢和鬆弛時間慢。 去感應電位，電容，電阻的變化，這些物理感測器使用conductive polymers導電聚合物,[22,24] metal nanowires金屬納米線,[5–7] graphene,石墨烯[18,21,23,25] and carbon nanomaterials 碳納米材料[9,20] and possess complex micro- and nanostructures such as pyramids,[10,23] semispheres,[22,24] and cylinders.[6,7,26]具有複雜的微納米結構,比如金字塔形，半球形和圓柱形。但是製造非常複雜，者阻礙了工業的大規模生產。除此之外，上述感測器不適合高能耗使用，很少有設計方案涉及到耐清洗問題，所有這些現有的因素嚴重限制了功能性電子面板應用的範圍和深度(scope and depth).

能量收集和自供能
TENG(triboelectric nanogenerator)： 利用接觸起電和靜電感應的耦合效應將機械能轉換為電能[27-30],TENG的輸出不僅能作為電源，也可以作為自供電感測器的訊號。TENG： high efficiency， light weight， low cost, environmental friendliness and universal availability.在低頻率的機械能採集和多功能自供電訊號感測領域有很好的前景[31-37],將該技術整合到電子面板中會很六。

herein, 因此， 我們提出簡單的，低成本的TENG製備方法，能同時收集生物機械能量和感知機械刺激，

使用三股捻在一起的鍍銀尼龍繩（three-ply-twisted silver-plated nylon yarn）構成平面內連續的鏈式的“Z”字形交錯分佈的導電網路，並嵌入到矽橡膠彈性體中，
（A continuous, planar, and “chain-link”
fence-shaped interlaced conductive network constructed from zigzag distributed three-ply-twisted silver-plated nylon yarn is embedded into the silicone rubber elastomer）
其透明度好，拉伸性好，壓敏性高，機械穩定性好（adequate transparency, good stretchability, high
pressure sensitivity, and excellent mechanical stability）
$80 \times 40 mm^2$的SI-TENG可產生160V的開路電壓， $230mWm^{-2}$的瞬時平均功率密度，能點亮170個發光二極體，給商用電容充電，給數字手錶供電。能實時監測人體生理訊號， 如動脈脈搏和聲音振動。智慧的手指觸覺識別，實時的計步器和速度計，自供電的數字軟鍵盤可以展示。
一個空間解析度8×8的可伸縮的觸覺感測陣列可以同時檢測和畫出機械應力引起的壓力分佈地圖

triboelectric effect: 接觸起電，實質是電荷的轉移。兩種不同的物體相互摩擦後，一種物體帶正電，另一種物體帶負電的現象[27-30],為提高輸出效能，要選擇合適的成對，具有相反摩擦極性的摩擦材料。

three-ply-twisted ？ 的鍍銀的尼龍包線作為電極

Figure 1a: 掃描電子顯微鏡觀察到的表面形態，彈性體具有可拉伸、透明和機械穩定性等特點，是電子面板的理想包裝材料之一[38-40], **silicone rubber (矽橡膠)**被選中作為彈性介質。
圖1a， 平面網狀感測路徑，

基本的菱形結構的迴圈單元如figure1a的左上角展示，
SI-TENG的真實照片和區域性放大的照片如圖1b和1c， 1d展示其可以覆蓋曲面，由於固有的柔軟特性以及可伸縮的網路結構，它可以在任何平面方向上拉伸，可以承受任意複雜的變形，比如捲起來, 圖1e。

SI-TENG的伸縮性是由於紗線“Z字形”排列和菱形交錯的網路結構，如圖1f，高h長l，厚度為d，當h=l=1.24mm, d=2.8mm,伸縮性可達30%， 面板的最大可伸縮性27%。因而在普通的表皮下能夠正常工作，同時降低h，l，d可以提高透明性，更細緻的製作方法在“experimental section”介紹。圖1g介紹了工作原理，基於接觸起電和靜電感應的耦合效應，人體是一個良好導體，作為一切可穿戴裝置的附著表面。對於我們的SI-TENG， **嵌入的鍍銀尼龍紗線與人體面板連線，**SI-TENG工作為單電極模式，人體面板作為另一個電極[40]，一個週期的移動可以簡化為面板與SI-TENG的接觸分離過程，一旦面板和矽橡膠接觸，表面會發生起電現象，在人體面板和矽橡膠上產生數量相同的極性相反的電荷(1g-i)，矽膠帶負電，因為其比人體面板和銀能吸引更多的電子。兩個平面重合，電荷之間幾乎無距離，所以認為沒有電勢。當兩個表面分離並逐漸遠離時，由於靜電作用，正電荷從人體面板轉移到內部鍍銀尼龍線上，人體面板和內部紗線電極之間的累積電位差促使電子流動，產生瞬時電流(1g -ii),當兩個摩擦層完全分離時，矽膠表面的負電荷和內部鍍銀尼龍線的正電荷達到平衡。
在完全分離的情況下，摩擦層表面沒有電訊號，反映了這一時期正負電荷的中和作用(1a-iii)注意，累積的電荷並不會立刻消失，而是由於絕緣體會保持一段時間。

在相反的情況下，為補償電勢差，在尼龍線上的電荷會通過外部負載流向人體面板(1a-iv),當整個系統恢復到接觸狀態(圖1g, i)，矽橡膠的負電荷又被人體面板上的正電荷完全補償，達到電荷平衡。在人體面板和SI-TENG的接觸分離過程，通過外部負載，將會產生瞬時電流和電勢。對發電過程獲得更定量的理解，我們建立一個SI-TENG的理論模型，通過使用COMSOL Multiphysics建立的簡單的有限元模擬來觀察各元件在完全分離狀態下的電勢分佈。(1a-h)

SI-TENG的輸出效能指標包括：開路電壓(OC voltage, $V_{oc}$),短路電流(SC current, $I_{sc}$)和短路電荷轉移(SC charge transfer, $Q_{sc}$),

先提前講一下，電極的材料和SI-TENG的結構引數，
使用的電極包括：silver-coated conductive nylon fabric，Ag nanowires(AgNWs),carbon nanofibers (CNFs),copper mesh,thick(0.1mm) and thin(0.01mm) copper foil（厚或薄的銅箔）。
四種尺寸的SI-TENG測試： h與l相等， 取2.24, 3.24, 5.24和10.24mm.
為保持一致，控制厚度為2.8mm，尺寸為 $80\times40 mm^2$？

h和l是單個單元的高和寬
3.24的yarn 有最好電學效能。主要原因可能有兩個：

1. 對於固定面積的TECH，當電極的面積(S)很小時， $Q_{sc}$與S成比例,而當S足夠大時， $Q_{sc}$急劇下降，當S很大時，電荷轉移效率降低[30, 42],存在一個較優的點
2. 絲線來回佈置形成大量並聯的導電路徑，對於單電極模式的TENG， 並聯模式可以按比例放大輸出，但是也與單元空間有關，當單元面積很小時，電場彼此干擾，導致輸出降低，只有當足夠大時，相互影響才能降到最低，

隨著厚度d增加，電學效能先增加後降低最後穩定。
如果矽膠不能完全覆蓋電荷，可能會由於電荷洩露而導致電學效能降低。當矽膠覆蓋超出一定範圍後，電學輸出效能大大增強。然而隨著厚度的增加，面板表面和電極間的電容會降低，電輸出也會降低 $C = K\frac{A}{d}$

當拉伸應變達到160%，絲線滑動，導致無法電輸出。在固定的20N的拉力下也測出幾種拉伸程度下的電輸出。(Figure S7).儘管拉伸是電輸出有所下降，但在更高的拉伸狀態下保持穩定，幾乎不下降。

在最優的引數（d=2.8mm, h=l=3.24mm）下對頻率響應做進一步討論。在接觸頻率從1到5Hz逐步增加，[Figure 2 d-f],電壓(=160V)和電容峰值(=60nC)基本穩定,但短路電流有明顯增強(0.55-2uA),同時通過外接可變電阻R來測量平均電流，則平均功率密度 $P=I^2R/A$，A為有效接觸面積，根據歐姆定律，隨著R的指數增長，I先保持穩定，後迅速下降[Figure 2g],在1G $\Omega$的時候達到峰值[Figure 2h],h=l=3.24mm時的峰值功率密度P為240 $mWmm^{-2}$。同時具有長期的穩定性和耐用性，[Figure 2i] $V_{oc}和I_{sc}$在5萬次負載後仍然沒有顯著的降低。

模擬家用洗滌環境(Figure S9a),每次洗滌過程持續20min，磁攪拌器的旋轉速度控制在600rpm，並在每次洗滌乾燥後測量了 $V_{oc}和I_{sc}$，[Figure S9c]，發現結果很好。

有很好的電輸出效能， 可以作為採集生物機械能量的可穿戴電源。埋線電極可以使得SI-TENG有多樣的圖案設計，比如字母，數字，花等[Figure S10],不同的圖案不會影響電輸出，S10d-f做了證明，一個字母形狀的SI-TENG，圖案形狀為“TENG”，可以使用不同顏色的紗線製造[Figure3 a], 如果四個字母獨立分開，也可以獨立點亮LED陣列，[Figure 3b and Movie S1, Supporting
Information],這啟發我們設計智慧鍵盤。在正常打手拍打下， $80\times40mm^2$可以點亮170LEDs，即使當被拉伸時[Figure 3c,d, Movie S2, Supporting Information]，收集到的電也可以儲存在能量儲存器件中(電池和電容器)，也研究了拍打頻率在1-5Hz，電容(1-2uF)下的店裡儲存能力[Figure 3e-f],可以為電子錶供電[Figure 3g, Movie S3, Supporting Information], [Figure 3h]記錄了在充電過程中電壓隨時間的變化曲線，當達到手錶的閾值電壓後。開始工作，在持續拍打的情況下，電容會很快充電，補償損失掉的電壓。

將電輸出作為負載力的函式來研究SI-TENG的壓力敏感性，[Figure 3i],在力超過2N後，兩者 $V_{oc}和I_{sc}$接近線性增長。[Figure 3j]在壓力增加到25N時， $V_{oc}$仍具有規律性和可重複性，可以檢測微小的壓力比如脈搏震動和聲音震動，[Figure 3k]將SI-TENG( $20\times20mm^2$)粘在志願者的手腕處，測出不同身體條件下(正常的和鍛鍊後)的脈衝， [Figure 3l]一個脈衝波中三種不同的波[43,44],脈衝波也可作為實時的電流訊號(Figure S11 and Movie S4),【Figure 3m】將SI-TENG貼在喉嚨上來實現聲音識別。

用於手指觸覺識別的智慧假手將在以下被展示，五個 $10\times8mm^2$的SI-TENG貼在手套的五個指尖上。【Figure 4a】收帶上手套，已不同的指尖模式來接觸不同的物體，比如五指張開伸直，用拇指和食指握筆，用前三個手指點選滑鼠，用後三個手指抓住燒杯，用所有的五個手指抓住燒杯，通過SI-TENG，手指的實時的觸覺動作被轉換成可讀、量化和實時電訊號。當連續執行五個動作時，【Figure 4b】展示了電響應。當接觸物體時，會產生反向電壓峰值，當不接觸時，只有很小的或幾乎沒有電壓峰值。這種變化可能是由於接觸手指的共同運動作用引起。手勢與輸出訊號一致且特定，【Figure 4c】展示了五個手指都接觸是自研軟體介面的輸出情況。

計步器/速度記錄儀 用來記錄步數，移動速度，移動距離甚至消耗的能量，在行走過程中，與地面最大的接觸面積是腳後跟(heel)，因而，將SI-TENG縫在襪子的腳後跟上，【Figure 4d】，並在左腳和右腳各縫了一個，尺寸相同。來檢測不同腳的不同。採集三種不同狀態的資訊（standing， walking and running）,結果在【Figure 4f】,正正弦分佈，這是由於與地面的週期性接觸分離。
在腳離開地面時，會產生前向電壓峰值，可以用來記錄步數，和移動速度，根據兩個SI-TENG上收集的資料，移動步數( $n$)可以通過峰值電壓的數量計算， 據估計， 成人男性的走路和跑步狀態下的步長( $L$)約為0.7m和1m，因此移動距離(s)為 $s=n\times L$,每小時的移動頻率 $f=3600/t$,t為每一步的時間，每小時的移動速度為 $v=f \times L$,【Figure 4g】軟體介面的輸出。

人機互動介面應該是便攜，與可穿戴裝置相容，密封堅固不受汙染，鍵盤作為輸入介面，【Figure 4h】，1-9數字形式的紗線嵌入到矽膠內部，相鄰的數字用不導電紗線進一步分開來儘量減少干擾，人類手指約為2cm寬，因而每個按鍵的尺寸設為 $20\times 20 mm^2$,【Figure 4i】,當按鍵按下，會產生一個瞬時的電訊號，通過設定一定的閾值，可以容易的排除其他訊號的干擾【Figure 4j】如果超出閾值，則認為按下該按鍵。

製作了 $8\times 8$的陣列，【Figure 5a】。8條彎曲的導電紗線分別放在上面(column x),下面（row y），每一根紗線與另一個電極層的所有紗線交聯，構成交叉的導電網路。放在矽膠中，使之具有延伸性和耐洗性，

行和列之間的交疊區域構成了一個基本的感知單元（Figure 5a左上角），中間介電層將兩個導電電極層隔開阻止電訊號的干擾。（Figure 5a右上角），因而上下兩層的輸出訊號是獨立的，也就是說每一個單元都連線到兩個獨立的通道。為減小相鄰畫素之間的串擾，相鄰的紗線也被矽膠隔開。【Figure 5b】 $60 \times 60 mm^2$,當拉伸時，彎曲的紗線會被拉直來適應拉伸【Figure 5c】， $8\times 8$的陣列可以分為64個單元【Figure 5d】，標記為ij(i.j=1,2……8)，上線電極層產生的電壓為 $x_i 和y_j(y_j<=x_i)$,一般條件下，最大電訊號來源於壓力施加電。單點接觸，可以很容易定位， $(x_{max}, y_{max})$,多點接觸，可以得出壓力等值圖。

實驗方法

彎曲紗線電極的準備

選擇一種三股的鍍銀尼龍紗線（標稱直徑：180um, 電阻小於100 $\Omega cm^{-1}$, LessEMF.com）作為電極材料，選擇聚丙烯酸酯膠片作為基板材料，釘子(nails)用來固定紗線的位置。

首先，直徑為1.24mm的均勻規則的小孔通過鐳射切割（laser cutting）分佈在聚丙