文摘

最近,自供电的柔性传感器显示运动训练的重要应用价值。因此,我们设计一个基于PET /石墨复合膜的摩擦电王中林教授(PG-TENG)收获人类能源和监测足球运动员腿部肌肉健康运动。聚四氟乙烯(PTFE)膜,PET /石墨复合膜作为摩擦电对;与此同时,PET /石墨复合膜电极也起到导电的作用。此外,PET /石墨复合膜可以由一个简单的逆向造型工艺。根据结果,PG-TENG的瞬时功率密度到达5.94 mW / m2海拔130米Ω。PG-TENG可以作为运动的球员来监控的健康足球球员腿部肌肉和各种足球运动姿势,包括跳跃的姿势和运球。本研究将促进无人驾驶传感器运动监测的应用。

1。介绍

近年来,物联网的大规模应用技术和人工智能技术(物联网)鼓励发展的可穿戴电子设备(1,2]。灵活的传感器与拉伸性能有潜在的应用在便携式电子设备,包括人类姿态传感、医疗健康监测,运动训练(3- - - - - -5]。值得注意的是,大多数小型可穿戴设备通常需要一个电源可以储存足够的电力,这限制了可穿戴电子设备的使用寿命6]。与此同时,便携式可穿戴电子设备的电源需要满足低成本的特点,良好的人际兼容性、可扩展性、和高强度7,8]。因此,迫切需要开发一个发电装置,可以提供连续的可穿戴电子设备。摩擦电王中林教授(邓)已经被证明能够捕获的振动环境中机械能转换成电能(9- - - - - -13]。腾的工作原理是基于摩擦电效应和静电感应14,15]。腾设备是由各种各样的材料,可用于各种振动(16- - - - - -19]。在四个腾装置的工作原理,可伸缩腾设备基于单电极的工作原理具有结构简单的特点,强大的可移植性20.]。通常情况下,灵活的腾与拉伸函数基于单电极的工作模式主要是由复合导电材料(21],导电纺织品[21,水凝胶(22]。因此,有必要开发灵活的腾高输出性能的设备,以满足电力需求的可穿戴电子设备。

水凝胶,因为里面有大量的水凝胶,这也容易导致水凝胶脱水由于水蒸发23]。因此,脱水率高会导致较低的水凝胶,使用寿命和机械强度将继续减少水的蒸发。这些缺点限制了邓的水凝胶领域的应用和发展。导电纤维的复杂的制备过程导致高成本,这也导致他们很难应用腾设备(24,25]。因此,由于其良好的导电性和使用强度高,拉伸复合导电材料领域的发展潜力高腾的制备设备。目前,一些导电填料,如石墨、金属粉、导电聚合物和碳粉,可以被纳入弹性矩阵作为导电载体(26]。石墨被广泛用作电极材料,特别是在储能电极,因为它的高电导率和低成本。此外,它也是很有必要考虑弹性体作为导电填料载体。一般来说,灵活性高的弹性体可以用作腾的摩擦材料,及其与人类皮肤的兼容性也应该被考虑。在许多弹性体、宠物广泛用于可穿戴电子设备由于其无毒性,低成本、人类兼容性好等特点。

在这项工作中,我们设计一个基于PET /石墨复合膜的摩擦电王中林教授(PG-TENG)收获人类能源和监测足球运动员腿部肌肉健康运动。PG-TENG基于单电极的工作模式。聚四氟乙烯(PTFE)膜,PET /石墨复合膜作为摩擦电对,与此同时,PET /石墨复合膜电极也起到导电的作用。此外,PET /石墨复合膜可以由一个简单的逆向造型工艺。从结果,PG-TENG的瞬时功率密度到达5.94 mW / m2海拔130米Ω。重要的是,PG-TENG可以用作人类姿态传感器监测足球球员的健康腿部肌肉和各种足球运动姿势,包括跳跃的姿势和运球。

2。实验

2.1。制造的PG-TENG

PG-TENG遵循单电极的模式。图1(一)(1)描述了PG-TENG设备的详细制作过程。首先,我们使用3 d打印技术准备一个凹模与内部的大小 ,如图1(一)(1)。然后,石墨粉掺在宠物的解决方案,和石墨粉均匀分布在网络内的宠物通过磁力搅拌。如图1(一)——(2),我们把宠物/石墨混合溶液倒入模具。12 h的静态固化后,PET /石墨电影成功地准备,如图1(一)(3)。最后,结合PET /石墨薄膜聚四氟乙烯薄膜PG-TENG设备,如图1(一)(4)。图1 (b)说明了PET /石墨薄膜的照片,和图1 (c)说明了PET /石墨薄膜表面的扫描电镜图像。

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图1
(一)(1 - 3)PET /石墨薄膜的制备过程。(一)(4)PG-TENG的结构。(b) PET /石墨薄膜的照片。(c) PET /石墨薄膜表面的扫描电镜图像。

3所示。结果与讨论

3.1。工作机制PG-TENG

图中所描绘的一样2(一个)和2 (b),PG-TENG运行机制的基础上摩擦充电和静电感应的耦合效应。聚酰亚胺薄膜膜功能作为一个负摩擦电材料,而PET /石墨是一种积极的摩擦电材料。图2(一个)表明,重复两种摩擦电材料之间的摩擦会导致大量电荷的积累PET /石墨薄膜,从而增加摩擦电的总量PET /石墨薄膜的指控。PG-TENG通过导线和接地运行在单电极工作模式。一旦两摩擦表面材料PG-TENG完全接触,会发生电子转移的接口。由于电场平衡所需费用相反极性,电子表面的摩擦电材料不会流到外部电路。在这个设计中,聚四氟乙烯薄膜作为移动的部分。

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图2
(a)示意图聚酰亚胺薄膜表面的摩擦电指控的电影和PET /石墨薄膜经过多次摩擦。(b) PG-TENG的工作机制。(c)V oc和(d)我 scPG-TENG与不同的石墨质量分数。(e, f)的比较V oc和我 sc之间的PG-TENG起始状态和稳定的状态。

如图2 (b)-(1)条件下,两个摩擦电材料的表面充分接触,PET /石墨薄膜表面将产生正电荷和聚四氟乙烯薄膜表面将产生负电荷。当PTFE表面开始独立于PET /石墨薄膜表面,潜在的差异变得更大。为了平衡电位差,更多的电子将从外部流入PET /石墨薄膜电路,如图2 (b)(2)。分离距离达到最大时,电路中没有电流由于静电感应的弱化效应,如图2 (b)(3)。聚四氟乙烯膜时再次接近PET /石墨薄膜表面,电子将从PET /石墨薄膜表面流到地上,导致外部反向电流电路,如图2 (b)(4)。

3.2。PG-TENG的输出性能

机械电机用于驱动聚四氟乙烯膜移动部件的定期接触分离运动评估PG-TENG输出性能。PG-TENG当时设置的接触面积 ,和移动的距离是3厘米。研究石墨的质量分数的影响PET /石墨薄膜PG-TENG的输出性能,我们准备9样品相同的大小和它们的质量分数从0.1%到1.8%不等。很明显,PG-TENG的输出性能,包括Voc和我sc,达到最高的值为0.7%,如图2 (c)和2 (d)。两个州的摩擦电充电饱和没有达到和摩擦电费用已经达到饱和,输出性能持续下降与石墨质量分数的增加。这个结果的原因是,当石墨含量低,PET /石墨的电荷存储效果差,当石墨含量的增加,石墨的摩擦电电荷一代会受到影响,这是一个最优值的质量分数。如数据所示2 (e)和2 (f),0.7%的PG-TENG石墨可以带来Voc49.2 V和一个我sc0.3144μ分别一个。

在一般意义上,有影响的因素之一的电力输出量腾生产操作频率。深入了解频率依赖的话题,以前的标准PG-TENG石墨也评估在不同的频率为0.7%。从0.5到3.0赫兹,没有实质性的输出的变化Voc和问sc,最大值为49.2 V和16.8数控,分别保持几乎不变,如图3(一个)和3 (c)。根据结果,Voc和问scPG-TENG是独立的操作频率。图3 (b)表明,当工作频率增加,我sc从0.15μ一个0.5μ答:这一现象是由可移动的速度的增加摩擦层随着工作频率的增加在给定的距离,最终导致更大的电子转移速率和更高的电流输出。此外,PG-TENG设备的可靠性和稳定性评价问题是至关重要的。因此,它是至关重要的探索PG-TENGs上面提到的属性。图3 (d)证明了VocPG-TENG保持稳定甚至在5000周期的接触分离到3000年代,表明PG-TENG高度可靠和稳定。

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图3
(两者)V oc,我 sc,问 sc不同工作频率下的PG-TENG从0.5赫兹到3.0赫兹。(d) PG-TENG的可靠性和稳定性。

不同拉伸下的可变形性菌株及相关电气输出各种各样的关键要求是可伸缩单电极的应用腾。的力学性能进行了进一步的研究PG-TENGs和相应的评估测试,包括电输出。拥有卓越的PET /石墨薄膜的拉伸性,电气输出PG-TENG在各种压力下也被调查。这个测试的目的,原始大小缩减到70%的应变,因为皮肤表面和关节运动引起的应变不超过这个阈值。各级的拉伸应变,包括Voc和问sc的电气输出PG-TENG应变增加到30% (Voc:64.8 V和问sc:20.4数控),随后急剧下降,如图4(一)和4 (b)。我们可以认为这个结果的耦合效应低电导率的PET /石墨电影和更大的接触面积。PG-TENG拉伸时,导电网络组成的石墨的导电率逐渐下降由于重叠区域的逐渐减少和导电线路的损失。一开始,只有网络延伸的一部分。通过电子和发电是由导电通道。在这个过渡时期,接触面积将首先增加PG-TENGs扩展之前开始减少。进一步延伸PG-TENG撼动了导电网络,导致更短的导电通道。因此,更少的电子会穿过这个小工具,和电气输出进一步减少。因此,持续的导电性的有利影响和接触面积可以归因于伸长的早期阶段的电输出性能从初始状态到30%失真。这可以表示发生电输出性能扩展时从原始状态。 Further stretching to 60% diminishes electrical output performance due to the negative impacts of decreased conductivity and decreased contact area.

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图4
(a, b)的电气输出PG-TENG不同拉伸下振幅。(c, d)的输出电压,输出电流,输出功率密度PG-TENG在不同阻力。(e)的充电曲线PG-TENG 2μF电容器在不同工作频率。(f)下PG-TENG不同电容器的充电曲线2赫兹的频率。

PG-TENG有发电功能,因此,它是有很大潜力的,使用PG-TENG作为一个潜在的能量收割机。这个公式 ,在哪里 是输出电压, 负载电阻和吗 PG-TENG的有效面积,可以用来计算的有效功率密度( )PG-TENG。如图4 (c)PG-TENG输出电压的增加,外部负载电阻的增加,尽管目前减少根据欧姆定律。作为一个直接后果,PG-TENG的瞬时功率密度上升,直到达到最高大约5.94 mW / m2海拔130米Ω然后继续减少,如图4 (d)。充电率逐渐增加随着频率的增加,呈现在图4 (e)。同时,PG-TENG各种电容器的充电功能也调查了,如图4 (f)。在细节,1μF电容器可以收取4.2 V在250年代。相比之下,2.2μF电容器可以在193年代2.25 V,说明充电率稳步增加,减少产能。

我们都知道,足球是一项游戏,需要玩家去完成一些短期最大,接近最大物理限制行为能力,如短跑、跳跃,和改变方向,与对手赢球。提高足球运动员的爆发力的下肢,相关肌肉培训项目广泛应用于足球。这些训练方法会引起神经肌肉之间的适应性和协调内部和肌肉,从而提高足球运动员的综合能力。在这项工作中,我们使用PG-TENG设备作为自供电的运动传感器监测下肢肌肉健康在足球操作,如图5(一个)。我们都知道,运动员将患有下肢肌肉损伤在长期的训练,将反馈通过下肢运动的姿势。因此,下肢肌肉的健康可以通过监测监控下肢运动的姿势。在细节中,我们把PG-TENG放在腿的膝盖位置,如图2 (b)。当下肢动作,PG-TENG安装在膝盖会产生轻微的振动,这将使它产生一个电压信号来反映玩家的姿势。如图5(一个)相比,我们生成的输出信号PG-TENG伤害和健康条件下损伤条件下通过模仿腿部运动。它可以清楚地发现,当腿部肌肉受伤,下肢运动将是有限的,可以反映在传感信号。此外,它还可以记录培训信息的弹力球的球员训练,如图5 (d)。此外,当玩家走,跑,跳,PG-TENG仍然可以产生输出电压信号与不同的信号特征,如图5 (e)。PG-TENG也可以用来监控中的运动信息运球动作,如图5 (f)。显然,运动员能够尽快告诉受伤当肌肉受伤和运动是有限的。然而,当人类的伤害是在经济复苏时期,受伤的运动将是有限的一部分,但有限的范围内是医生很难准确评估通过病人的描述。通过设计PG-TENG传感器,可以定量评估和康复过程的基础postinjury康复治疗可以提供。因此,PG-TENG可以监视的肌肉健康足球运动员在足球训练和信息。

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图5
(一)一个足球运动员的照片。(b)的结构图PG-TENG安装在人的膝盖。(c) PG-TENG的输出电压信号通过模拟损伤和健康。(d)的输出电压信号PG-TENG在弹力球运动。(e)的输出电压信号下PG-TENG走路,跑步,跳跃。(f)的输出电压信号下PG-TENG运球的动作。

4所示。结论

总之,我们设计一个PG-TENG收获人类能源和监测足球运动员腿部肌肉健康运动。摩擦电对由聚四氟乙烯(PTFE)膜和PET /石墨复合膜、PET /石墨复合膜也起到导电电极的作用。PG-TENG具有良好的抗拉性能。PG-TENG不同拉伸条件下,输出特性进行了研究。此外,PET /石墨复合膜可以由一个简单的逆向造型工艺。根据结果,PG-TENG的瞬时功率密度到达5.94 mW / m2海拔130米Ω。此外,PG-TENG可以作为足球运动员的运动选手监控健康的腿部肌肉和各种足球运动姿势,包括跳跃的姿势和运球。

数据可用性

本研究中所有生成的数据或分析包括在发表的这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。