可穿戴电子皮肤和织物--自供能电子

        自供能WEST电子
        现有的可穿戴电子皮肤和织物（WEST）一般使用电池供电或近场通信来监视环境和生理信号。为了将WEST应用在下一代机器人技术，医疗器件和物联网（LoT）等领域中，它们必须具有无线控制和自供电的功能。目前适合WEST供电的能源有多种：太阳能电池，压电、摩擦电发电机，燃料电池，湿度供电，热释电等。本期分别为每种能源提供一个代表性的实例，以供参考。
     1) 2016年佐治亚理工学院Zhonglin Wang课题组提出一种混合式自充电动力纺织系统，其目的是同时收集室外阳光和随意的身体运动能量，然后将它们存储在能量存储单元中。通过使用纤维状的染料敏化太阳能电池（用于太阳能）和纤维状的摩擦纳米发电机（用于随机的身体运动能），可以将两种收集的能量轻松转换为电能，然后以化学能的形式进一步存储在纤维状中超级电容器。由于整个系统采用全纤维状结构，因此我们提出的混合式自充电纺织系统可以轻松地编织到电子纺织品中，从而制造出智能衣服，从而可持续地操作移动或可穿戴电子设备。
        
        
        
     2）2016年 北卡罗来纳州立大学Mehmet C. Öztürk课题组提出了一种计算效率高的准三维TEG模型，并使用该模型来探索当前最先进的刚性TEG模块以及针对身体可穿戴应用的预期柔性模块的设计标准。我们展示了热电材料的特性，模块设计和尺寸，散热器，填充材料，散热器和皮肤接触电阻对器件性能的影响。我们还确定了材料热导率超过塞贝克系数和电阻率对于提高可穿戴应用的输出功率的重要性。对于柔性TEG，我们将填料的导热系数确定为关键参数之一，以获得最佳性能是必须考虑的关键参数。最后，该模型用于设计具有改进的材料性能和设备设计的定制TEG。测量结果表明，与通过计算成功预测的面积相似的商用TEG相比，功率输出提高了近3倍。
        
        
     3) 2018年滑铁卢大学Y. Norman Zhou课题组报道了一种由湿度产生的电压来确定环境湿度水平。结果表明该湿度的发电机，基于二氧化钛（TiO2）纳米线网络中水的扩散流，当暴露于高度潮湿的环境中时，可产生高达4 µW cm-2的输出功率密度。该性能比多孔炭黑发生器报告的性能好两个数量级。输出电压在很大程度上取决于周围环境的湿度。作为一项重大突破，这种新型设备已成功用作自供电的可穿戴式人体呼吸监测器和触摸板，这是任何现有的湿气感应电技术都无法实现的。
        
        
     4）2018年东京大学Takao Someya课题组报道了自供电的超柔性电子设备，当将其应用于皮肤或其他组织时，可以测量具有很高信噪比的生物特征信号。作者将用作传感器的有机电化学晶体管与有机光伏电源集成在一个1微米厚的超柔性基板上。通过室温模塑工艺使得电荷传输层上形成纳米光栅形态，大大提高了有机光伏的效率，提供了高达10.5％的高功率转换效率，并实现了每克11.46瓦特的高单位重量功率值。有机电化学晶体管在生理条件下表现出0.8毫秒的跨导和1千赫兹以上的快速响应性，并且心脏信号检测的最大信噪比为40.02分贝。
        
        
     5）2020年加州理工学院的Wei Gao课题组报告了一种灵活的，完全由汗液驱动的集成电子皮肤（PPES），用于原位多路代谢产物检测。无需电池的电子皮肤包含多模式传感器和高效的乳酸生物燃料电池，它们使用从零到三维纳米材料的独特集成来实现高功率强度和长期稳定性。PPES在未经处理的人体液体（人类汗液）中为生物燃料电池提供了创纪录的3.5毫瓦·厘米-2的功率密度，并且在60小时连续运行中表现出非常稳定的性能。它可以在长时间的体育锻炼中选择性地监测关键的代谢分析物（例如尿素，NH4 +，葡萄糖和pH）和皮肤温度，并使用蓝牙将数据无线传输到用户界面。PPES还能够监视肌肉收缩，并充当人为假肢行走的人机界面。