现代电子产品是人类健康，安全和通信不可缺少的一部分，为能把我们社会演化成一个智能世界提供了广泛的机会。另外，由于其具有广阔的应用前景，比如从柔性电源、可拉伸电路、个人保健/生物医学检测、人造电子皮肤到可穿戴化的人机交互界面，柔性可穿戴电子产品已经受到广泛关注。在这些当中，用于健康监测，运动跟踪，医疗护理，个人防护和安全的众多类型的自供电功能传感器已经开发出来，这为以一种连续、实时和无伤害的方式测量人体生理和运动信号提供了一个令人兴奋的机会。然而，可穿戴电子产品的进一步发展仍面临一些挑战。首先，这些可穿戴电子设备通常需要外接电源。传统电源如电化学电池具有重量大，体积大，容量和使用寿命有限的缺点，在很大程度上阻碍了可穿戴电子设备的实际和可持续使用。其次，由于人体的大变形动作可能会降低甚至损坏可穿戴电子设备的结构或功能，传统平面式结构也限制了可穿戴电子产品发展。 第三，因为大多数电极材料（例如碳纳米管/纳米纤维，石墨烯，金属纳米线/纳米槽和导电聚合物）的电导率在高度拉伸情况下会急剧下降甚至消失，所以很难实现既具有高度可拉伸性又同时保持良好导电性的电极。最后，目前的自供电可穿戴式传感器通常只针对某一单一类型的人体运动。事实上，可穿戴式传感器应当能够以高效、及时和灵敏的方式响应多种形式的机械刺激，诸如拉伸，压缩，弯曲和扭曲等。以上因素的存在限制了可穿戴式能量收集器和自供电功能传感器的应用范围。为了给可穿戴电子产品提供一个持续的和自给自足的电源，最近新开发的摩擦纳米发电机（TENG）是一种能量收集技术，其基于摩擦起电和静电感应的耦合效应可将无处不在的机械能转化为电能。由于其效率高，重量轻，成本低，环境友好以及普遍适用性，无论在收集小型机械能还是大规模能源生产方面都具有广阔前景。 TENG已经被证明可以收集不同类型的机械能量，这些能量是我们生活中广泛存在的却经常被我们所浪费，比如人体运动、机械触发、振动、风和水流等等。此外，TENG还可以用作自供电传感器，通过监测实时电压或电流信号来主动检测由机械运动所引起的静态或动态过程，这在实时人体交互式传感系统中具有潜在应用。将TENG技术融入传统纺织生产为可穿戴电子纺织品以及自供电传感设备的发展带来更多的可能性。基于纺织的TENG非常适合新一代能量采集器和自供电传感器，使这些传感器具有轻便、持久、透气、可变形和可清洗的特点。这种新型可穿戴电子产品不仅可以适应复杂的非平面形状，而且可以同时保持令人满意的性能，可靠性以及整体性。
成果简介
近日，佐治亚理工学院王中林院士课题组（通讯作者）相关论文“Versatile Core-Sheath Yarn for Sustainable Biomechanical Energy Harvesting and Real-Time Human-Interactive Sensing”发表在能源期刊Advanced Energy Materials（影响因子：16.72）上，第一作者董凯。可拉伸纺织结构机械能量采集器和自供电传感器的出现为可穿戴功能电子产品的发展带来了新的生机。然而，单一的能量转换模式和弱的信号传感能力在很大程度上阻碍了它们的发展。在此，凭借镀银尼龙纱线和硅橡胶弹性体，王中林团队设计并制造了一种具有同轴芯鞘和内置弹簧式螺旋缠绕结构的高度可拉伸的TENG纱线，用于机械能量采集和实时人机交互传感。由于内置弹簧缠绕和芯鞘共轭这两种结构，所开发的TENG纱线具有灵活性，高度可拉伸性，舒适性，持久性以及对各种机械刺激的高度敏感性，旨在采集多种机械能量以及捕获各种类型的人体运动信号。凭借这些优异的性能，该TENG纱线可以用于自计数跳绳，自供电手势识别手套以及实时高尔夫评分系统。此外，纱线TENG还可以编织成大面积能量收集织物，能够点亮发光二极管（LED），给商业电容器充电，为智能手表供电。此外，通过调整电路连接方式和外部载荷施加方式，这种织物可以将TENG的四种工作模式集合在一起，进一步验证了其多种机械能量采集能力。这项工作为基于纺织结构的多模式机械能收集器和高度敏感的自供电运动传感器提供了一个新方向，未来可用于可持续电源供电，自供电可穿戴电子设备，个性化运动/健康监测以及实时人机交互方面。目前的工作有助于纺织结构的TENG器件应用于多样的机械能量采集装置和实时自供电人机交互传感系统，这将导致可穿戴电子设备向更智能、更便捷和更环保的方向发展。
本文设计并展示了一种具有高度拉伸性，柔韧性，耐洗性，稳定性和可靠性的多功能TENG纱线，用于可持续的机械能量采集以及实时人机交互传感。以镀银尼龙纱线和硅橡胶分别作为导电和介电材料，通过将内芯柱插入到外套管中来获得同轴芯鞘结构，内芯柱和外套管都具有内置弹簧缠绕结构。此外，本文还详细讨论了该TENG纱线的工作机理和电输出性能。存在于内芯柱和外套管之间的间隙为两者提供了足够的接触和分离空间。内置的螺旋缠绕结构赋予该TENG纱线以高度的可拉伸性，同时使其能够快速响应各种外界机械刺激。在3 Hz的固定频率下，单根纱线在压缩和拉伸状态下的最大平均功率密度可以分别达到11和0.88 W m-3。基于其上述优异性能，该TENG纱线可以设计成自计数跳绳，自供电的智能手势识别手套，并用于实时高尔夫球评分系统。此外，基于纱线的TENG可以织成大面积能量采集织物，使其具有更广泛的应用，例如点亮LED灯，为商业电容器充电以及驱动电子手表。此外，通过调整外部载荷施加方法和内部电路连接方式，我们可以将TENG的四种工作模式整合在一块布料中。我们的工作将芯鞘和内置弹簧式螺旋缠绕结构引入到多功能TENG纱线的开发和设计中，并验证其在多模式机械能量采集和实时人机交互传感中的潜在应用前景。
