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  中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和李舟研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心教授樊瑜波教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研制了一種仿電鰻的可拉伸發(fā)電機(jī)（BSNG, bionic stretchable nanogenerator），可以用于水下傳感與能量收集。該工作中研究者模仿電鰻發(fā)電器官細(xì)胞膜上的離子通道，構(gòu)造了一種機(jī)械敏感性的仿生通道，用于控制發(fā)電機(jī)內(nèi)部的起電液體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化。兩種獨(dú)特的工作模式使得BSNG在液體環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)超過10V的開路電壓，在干燥條件下可以實(shí)現(xiàn)超過170V的開路電壓。BSNG由于其出色的柔韌性、可拉伸性、機(jī)械響應(yīng)性和高輸出性能等優(yōu)勢(shì)，可用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，在干燥和液體環(huán)境中為新一代可穿戴電子設(shè)備提供了一種有前景的替代電源。

  新一代可穿戴電子設(shè)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(shè)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(shí)具有良好的可拉伸性，又能在多種復(fù)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(gè)很大的挑戰(zhàn)。

  電鰻可以通過其獨(dú)特的發(fā)電器官在水下產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的電壓。在發(fā)電細(xì)胞的一個(gè)神經(jīng)沖動(dòng)過程中，當(dāng)受到神經(jīng)遞質(zhì)的刺激，細(xì)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(gè)150mV的膜電位。李舟研究員團(tuán)隊(duì)受發(fā)電細(xì)胞上細(xì)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(yīng)力失配效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)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(jī)（BSNG, bionic stretchable nanogenerator）。在BSNG的一個(gè)工作周期中，當(dāng)受到機(jī)械牽拉刺激時(shí)，仿生通道開啟，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的起電液體開始流動(dòng)，在液體摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合作用下產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)10V的開路電壓。

圖1 仿電鰻的可拉伸水下發(fā)電機(jī)

  在該工作中，BSNG可作為自驅(qū)動(dòng)傳感器，研究者將BSNG與潛水服整合，并結(jié)合多通道藍(lán)牙無線傳輸模塊，構(gòu)建出一套水下無線多位點(diǎn)人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，不同泳姿下的運(yùn)動(dòng)信號(hào)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(duì)性訓(xùn)練。該系統(tǒng)還可以用于監(jiān)測水下工作者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而起到預(yù)警的作用。

圖2 基于BSNG的水下無線運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

  此外，研究團(tuán)隊(duì)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(xiǎn)特殊情況的遠(yuǎn)程求救警報(bào)。穿戴者只需在水下活動(dòng)一段時(shí)間，固定于關(guān)節(jié)處的BSNG便可收集來自人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到電容器中，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，只需拍打胸前的報(bào)警觸發(fā)器，便可遠(yuǎn)程點(diǎn)亮救援信號(hào)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(dòng)傳感器和能量采集裝置，為可穿戴電子設(shè)備的水下可持續(xù)供電帶來了新的機(jī)遇。

  王中林院士和李舟研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于自驅(qū)動(dòng)可穿戴電子器件的研究。2017-2019年間，研究團(tuán)隊(duì)成功研制出了可用于心血管疾病診斷的自驅(qū)動(dòng)可穿戴脈搏傳感器（Advanced Materials, 2017, 1703456）；在穿戴式能量存儲(chǔ)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(jí)電容器（ACS applied materials & interfaces, 2018, 10(40): 34302-34310）；基于人體靜電效應(yīng)，提出了一套基于人體靜電的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可用于穿戴式和植入式電子設(shè)備相關(guān)的應(yīng)用（ACS Nano, 2019,13,(5):6017-6024）；此外，研究團(tuán)隊(duì)還總結(jié)展望了近些年可穿戴和植入式納米發(fā)電機(jī)的相關(guān)研究及應(yīng)用（Advanced Functional Materials, 2019, 1808820）。

  目前，李舟研究員團(tuán)隊(duì)在可拉伸能量轉(zhuǎn)換器件的研究方面實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的突破，然而，器件的小型化與智能化還有待進(jìn)一步解決。在未來，BSNG有望應(yīng)用于電子皮膚、軟體機(jī)器人的主動(dòng)感知，以及可穿戴電子產(chǎn)品和植入式醫(yī)療設(shè)備的持續(xù)電能供給。在這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)與各種新型電子產(chǎn)品并行飛速發(fā)展的時(shí)代，自驅(qū)動(dòng)能源的新時(shí)代儼然將隨之到來。

  相關(guān)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(xué)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，通訊作者為王中林院士、樊瑜波教授和李舟研究員。該項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院大學(xué)以及國家萬人計(jì)劃“青年拔尖”人才項(xiàng)目的支持。

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