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  摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）可將周?chē)母鞣N機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和信號(hào)，被廣泛應(yīng)用于可持續(xù)能源收集和自供電傳感器。與傳統(tǒng)電源相比，TENGs在重量、體積、人身安全、材料多樣性和環(huán)境友好性方面都表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，在電子皮膚、傳感系統(tǒng)、軟機(jī)器人和人機(jī)界面等多個(gè)領(lǐng)域都具有巨大的潛力。目前，引入智能聚合物材料開(kāi)發(fā)多功能TENGs的一條簡(jiǎn)單有效的策略，對(duì)下一代自供電電子器件具有重要意義。然而，完全智能化的TENGs鮮有報(bào)道，特別是可逆自發(fā)響應(yīng)外界刺激的相關(guān)研究。

  近日，天津工業(yè)大學(xué)楊光教授、閆靜副教授、莊旭品教授設(shè)計(jì)了一種由雙向形狀記憶聚氨酯（PU）驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)摩擦電層，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出具有熱觸發(fā)可“開(kāi)-關(guān)”功能和高摩擦電輸出的智能TENG。該TENG器件可以根據(jù)環(huán)境溫度變化自發(fā)打開(kāi)/關(guān)閉工作模式，即在0 °C時(shí)打開(kāi)，在60 °C時(shí)完全關(guān)閉。在工作狀態(tài)，TENG最大輸出功率密度達(dá)到了5.15 W m^?2。智能“開(kāi)-關(guān)”和高輸出功率使得智能TENG可作為傳感元件和熱驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)在可穿戴電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測(cè)寒冷環(huán)境中的人身體狀況，還可以根據(jù)TENG的熱響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)按需加熱，為開(kāi)發(fā)下一代智能可穿戴電子產(chǎn)品開(kāi)辟了新的選擇。 

【熱觸發(fā)可切換TENG的制備】

圖1 智能可“開(kāi)-關(guān)”切換的TENG結(jié)構(gòu)和工作原理

【PU的熱響應(yīng)雙向形狀記憶行為】

，可逆性變?cè)?/span>多次加熱-冷卻循環(huán)中相當(dāng)穩(wěn)定，最大可逆形變達(dá)到了24.2%。 

圖2 PU網(wǎng)絡(luò)的編程程序和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化

【TENG的智能“開(kāi)-關(guān)”切換行為】

  基于微/納米纖維摩擦電表面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，所制備的TENG表現(xiàn)出優(yōu)異的電輸出性能開(kāi)路電壓（V_oc）為185 V、短路電流（I_sc）為36μA和峰值功率密度為5.15 W m^?2。當(dāng)使用可逆應(yīng)變高達(dá)24.2%的雙向形狀記憶PU來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)可移動(dòng)的摩擦電層時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了熱觸發(fā)可“開(kāi)-關(guān)”功能的智能TENG，即當(dāng)?shù)撞磕猃埧椢锱c上PI膜垂直對(duì)齊時(shí)，30 kPa壓力可引起兩摩擦層帶電，產(chǎn)生開(kāi)路電壓（V_oc）為185 V、短路電流（I_sc）為36μA和峰值功率密度為5.15 W m^?2（“開(kāi)”狀態(tài)）。一旦處于工作模式的TENG受到加熱， PU結(jié)晶相熔化并開(kāi)始收縮，逐漸將底部摩擦層拉出初始位置，最后兩個(gè)摩擦層的完全錯(cuò)定位，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的電能輸出可以忽略不計(jì)（即“開(kāi)→關(guān)”）。相反，在“關(guān)”狀態(tài)下的器件暴露在寒冷環(huán)境中，隨著溫度的降低，PU的長(zhǎng)度逐漸延長(zhǎng)，從而將可移動(dòng)的摩擦電層推到與上層垂直對(duì)齊的位置。此時(shí)，TENG逐漸恢復(fù)到“開(kāi)”工作模式，在按壓動(dòng)作下再次出現(xiàn)電能輸出（即“關(guān)→開(kāi)”）。TENG器件可以在多個(gè)溫度變化循環(huán)中穩(wěn)定產(chǎn)生和消失電信號(hào)，沒(méi)有明顯的性能下降，驗(yàn)證了智能“開(kāi)-關(guān)”TENG器件的可行性。 

 圖3 TENG的“開(kāi)-關(guān)”可切換行為及電學(xué)性能變化

【智能“開(kāi)-關(guān)”TENG在可穿戴電子中的應(yīng)用】

  基于TENG熱觸發(fā) “開(kāi)-關(guān)”功能和優(yōu)異的電輸出性能，論文設(shè)計(jì)了一種基于智能TENG的智能可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)由python程序編寫(xiě)的信號(hào)處理模塊，用于傳感模塊和加熱模塊之間的通信。按照設(shè)計(jì)，可切換智能TENG被附在鞋墊上，不僅用作傳感元件，而且還用作智能熱驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)。作為傳感元件，TENG在“休眠”狀態(tài)和工作模式的切換可以引發(fā)電信號(hào)消失與出現(xiàn)，可以使人們清楚地掌握人體運(yùn)動(dòng)狀況。更重要的是，智能TENG可作為加熱裝置的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，在舒適環(huán)境中，TENG無(wú)信號(hào)發(fā)出，加熱裝置處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)人體處于冷環(huán)境中，TENG發(fā)出警報(bào)信號(hào)，加熱裝置打開(kāi)進(jìn)而補(bǔ)償了人體核心區(qū)的熱量損失，有效地避免了在寒冷環(huán)境下人體的體溫過(guò)低；當(dāng)人體在發(fā)熱和損失重新平衡時(shí)，熱刺激觸發(fā)TENG關(guān)閉，進(jìn)而加熱裝置關(guān)閉，以避免過(guò)熱事件發(fā)生。 

圖4 “開(kāi)-關(guān)”可切換TENG在智能可穿戴電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

  以上工作近期以題為“Thermal-Triggered “On–Off” Switchable Triboelectric Nanogenerator Based on Two-Way Shape Memory Polymer”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，天津工業(yè)大學(xué)楊光教授為第一兼通訊作者，碩士研究生李海瓊為第二作者，閆靜副教授、莊旭品教授為共同通訊作者。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214001