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上海硅酸盐所孙静、王冉冉研究员团队《Nano Energy》:规模化、可拉伸和可清洗的摩擦电纤维用于自供电人机交互和心肺复苏训练
2022-08-29  来源:高分子科技

  柔性和可拉伸的纤维状摩擦纳米发电机(FTENGs)在可穿戴电子产品中得到了广泛的研究,因为它能够收集人体机械能并用作自供电传感系统。尽管 FTENGs 在近些年取得了长足的进步,但仍存在限制因素阻碍其广泛的实际应用。当前,研究人员更关注 FTENGs 器件在人体运动监测、人机交互和环境能量收集方面的应用,而忽略了在医学培训领域(例如:心肺复苏训练)的潜在应用前景。


  心肺复苏(CPR)训练是所有医疗急救技能操作课程中最重要的培训项目之一,因为实施高质量的CPR可以通过提供恢复自主循环所需的血流来维持重要器官功能。然而,高质量的 CPR 急救措施仍然难以紧急实施,因为 CPR 是一种体力消耗的姿势和动作。此外,非标准的心肺复苏术不仅不能提供急救,还可能对患者造成伤害。鉴于此,开发一种用于实时指导高质量 CPR 培训或临床实践的可穿戴设备对于心肺复苏辅助教学,以及紧急救助指导具有重要意义。


  近日,中科院上海硅酸盐研究所孙静研究员研究团队提供了一种简单和可扩展的自供电 FTENGs 制造方法,该FTENGs由可拉伸的导电银纳米线 (Ag NWs) 纤维作为核和弹性硅橡胶作为鞘组成,具有良好的柔韧性、优异的机械耐久性(200% 应变)。长度为 5 cm FTENGs 在与纸膜接触时可提供 17.1 V 的平均开路电压。当将 FTENGs 制成尺寸为 8×4 cm2 织物时,在 10 MΩ 的外部负载电阻下获得了 0.957 W m-2 的瞬时输出功率密度。FTENGs织物可作为可穿戴电源用于驱动电子手表、电容器和200颗串联LED灯。此外,FTENGs不仅能够捕捉人体机械能进行人体运动检测,还可以用作控制风扇和警报器的触觉传感器,实现人机交互应用。


  最重要的是,FTENGs还可以方便地集成到手套中,然后用于评估心肺复苏过程和效果,包括按压动作是否标准,按压频率和按压深度是否达标以及模拟人的胸腔是否完全回弹等。这能有效地指导初学者如何正确施救,或者在施救者疲劳时提醒其按压深度或者频率的不足,提升施救效果。总之,这项工作展示了FTENGs的多种潜在应用,为自供电可穿戴电子设备提供设计灵感,并为心肺复苏智能培训培训提供了可能性。该成果以Scalable, stretchable and washable triboelectric fibers for self-powering human-machine interaction and cardiopulmonary resuscitation training”为题发表在Nano Energy上,文章第一作者蓝彬栩,通讯作者为孙静研究员和王冉冉研究员。该研究工作得到了中科院国际合作项目的支持。


1. FTENGs织物(8×4 cm2的输出性能,(a) FTENGs织物的实物图 (b) 输出电流 (c) 输出电压。 (d)不同外部负载电阻下FTENGs织物的电压和电流以及(e)功率密度的变化。(f) FTENGs织物在洗涤前后的电压输出。 (g) 点亮 200红色 LED和相应的工作电路图。 (h) 不同电容器的充电曲线和 (i) 电子表工作的电压曲线。


2.aCPR训练的标准按压姿势。 (b) 标准胸外按压姿势下智能手套的输出电压-时间曲线(100% 按压深度)。(c) 肘关节在垂直和弯曲状态下的按压电压信号。 (d) 倾斜按压状态的输出电压信号。 (e) 电压信号对应于完整的胸外按压操作。(f) 胸外按压中断的电压信号特征。


  该工作报道了一种用于制造由可拉伸导电银纳米线 (Ag NWs) 纤维和弹性硅橡胶组成的多功能FTENGs简单和可扩展方法。通过增强与等离子体技术的界面相互作用,实现了 FTENGs200%可拉伸性和出色的机械稳定性。所制备的长度为 5 cm FTENGs可提供 17.1 V 的平均开路电压。此外,尺寸为 8 × 4 cm2 的织物在 10 MΩ 的外部负载电阻下的瞬时输出功率密度为 0.957 W m-2。在应用方面,FTENGs可以采集人体运动能量,用于检测人体运动信号和实现人机交互触觉传感。此外,该工作还展示了 FTENGs 织物用于指导高质量 CPR 训练的可行性。总之,该工作不仅展示了多功能 FTENGs的制造过程和多种潜在应用,还为自供电可穿戴设备和可持续智能系统提供了可能性。


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107737

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(责任编辑:xu)
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