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可进行实时步态分析的摩擦电纳米发电纺织传感器

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-05-16  来源:高分子科学前沿、纺织导报  浏览次数:109
核心提示:摩擦电纳米发电机(TENG)因结构简单、小型、轻量化等优势成为可穿戴传感器件的理想选择。基于织物结构的TENG进一步赋予可穿戴
      摩擦电纳米发电机(TENG)因结构简单、小型、轻量化等优势成为可穿戴传感器件的理想选择。基于织物结构的TENG进一步赋予可穿戴器件柔软、舒适特性,为生理信号无创监测提供了新思路。以芯壳结构纱线为标志的织物型TENG与传统织物有良好的兼容性,但常规的同轴纺丝、涂层、覆膜、包纱等芯壳纱线的制备方式,易出现芯层导电纤维和壳层摩擦电材料之间结合性差,导致芯壳间电阻增大,或因壳层不均匀导致电荷泄漏,以及受力时易滑移脱落等问题,从而使织物型TENG灵敏度和稳定性较低。
      针对该问题,深圳大学研究人员提出利用同轴共轭静电纺丝结合导电黏合剂涂层的方法,实现高灵敏度、高稳定性、灵活柔软、适用于多种纺织结构的芯 — 壳纳米纤维同轴纱线(NCYs)的大规模制备,并将NCYs及其衍生纺织品应用在人体不同部位生理信号监测。
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      研究人员采用同轴共轭静电纺丝结合导电黏合剂涂层的方法,分别以PA66及PVDF-TrFE聚合物溶液作为两种摩擦带电性不同的NCYs壳层纺丝材料,芯层材料均采用柔性不锈钢纤维;并在同轴共轭静电纺丝过程中添加一道导电黏合剂同步涂层工艺(其中黏性组分为PVA,导电组分为液态金属,银纳米线为抗菌成分),以提高结构稳定性及输出效率。该方法能够大规模制备高柔韧性、高灵活性的NCYs。
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      得益于NCYs柔软、灵活的类纺织品特性,研究人员通过常规织机制备了与多数传统织物兼容的平纹编织结构NCY-TENG,并测试了其在监测人类运动方面的能力;测试过程覆盖典型步态频率1~3.5Hz下的输出信号,发现这种织物在0.5~3.5 Hz的频率范围内能够产生稳定而明显的电信号,确认其在步态监测中的适用性。同时,研究人员还发现,NCY-TENG可以通过测量不同压力下的电压响应来实时监测足底应力,满足步态分析的要求。
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      除了平纹NCY-TENG外,研究人员还探索了NCYs其他的衍生纺织品结构,包括加捻纱、编织纱和罗纹织物等。通过加捻和编织的方式分别制成NCY-TENG加捻纱线和编织纱线。进一步测试其性能,可发现两种结构的复合纱表现出不同的机械性能和传感性能:在低应力条件下,NCY-TENG加捻纱比编织纱表现出更优异的灵敏度,但编织纱线可以检测到更大的应力范围。因此,高灵敏、轻量化的NCY-TENG加捻纱在颈部吞咽等细微动作检测方面潜力更大,可拉伸的NCY-TENG编织纱则适合跟踪手指等较小关节的运动。
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      具有罗纹针织结构的NCYs衍生纺织品与平纹NCY-TENG相比,具有更宽的线性可测压力范围,但其灵敏度表现较差;而罗纹NCY-TENG的可拉伸性使其非常适合监测肘部等较大关节的运动。利用这一特性,可将罗纹NCY-TENG整合到商用肘部保护套中,其可准确感知肘部不同角度的弯曲,跟踪肘部运动。
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      研究人员还选择了高灵敏度、结构平整的平纹NCY-TENG作为步态监测鞋垫基本构成单元,并将15个平纹NCY-TENG设置在足部区域的关键足压力点。为评估步态监测鞋垫的有效性,实验者通过穿戴内置智能鞋垫的鞋子进行各种站立和行走活动,测试不同的步态条件对足底压力分布的影响,结果表明步态监测鞋垫能够提供准确的压力映射以识别不同步态状态下独特的足底压力。另外,平纹NYC-TENG纺织品具有出色的透气性及耐洗涤性、抗菌性能,在可穿戴步态监测方面展现出巨大的潜力,特别是针对糖尿病足患者的步态检测。
      相关研究成果以“Scalable and ultra-sensitive nanofibers coaxial yarn-woven triboelectric nanogenerator textile sensors for real-time gait analysis”为题发表于《Advanced Science》上。
 
 
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