在過去的幾十年里，柔性可穿戴設備蓬勃發展，相關產品也不斷涌現，如智能傳感器集成電子皮膚、植入裝置、機器人電子裝置等。可穿戴設備產品所要求的特點除了其與人體的機械順應性、輕巧、能耗低、美觀性之外，還應考慮到這些產品的供電問題。柔性可穿戴能源設備，一直是科研人員的研究熱點。

近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）孫旭輝教授研究團隊提出了一種基于褶皺結構PEDOT:PSS薄膜電極的可拉伸摩擦納米發電機（WP-TENG）。該WP-TENG利用彈性PDMS作為器件的摩擦起電材料，用褶皺狀的PEDOT:PSS薄膜作為感應起電電極材料，由此制得的透明可拉伸納米發電機同時具備生物機械能收集、觸覺傳感和人體運動監測等功能。

圖a為器件的制備過程圖，圖b為褶皺狀PEDOT:PSS導電膜，圖c為不同厚度導電膜光透過率，圖d為該導電膜在不同拉伸條件下方阻

該WP-TENG通過預拉伸彈性PDMS膜作為摩擦層，再旋涂導電高分子PEDOT:PSS薄膜作為電極層，釋放拉伸后形成褶皺狀可拉伸器件。該褶皺狀電極的透明度可根據刮涂的層數不同而發生改變，最佳透光率可達到90%。經測試，拉伸應變從0變化到100%的過程中，褶皺狀電極的方阻可從1.40增大到4.63 kΩ·sq^-1，而同等拉伸情況下無褶皺的薄膜會增大到22.9 kΩ·sq^-1，因此，該褶皺設計增強了薄膜在拉伸過程中的導電性和穩定性。

圖a為WP-TENG的器件實物圖，圖b為WP-TENG的發電機理圖，圖c為WP-TENG的電輸出圖，圖d為WP-TENG使用時的電路示意圖，圖e為WP-TENG在手拍的運動條件下的充放電曲線圖，圖f為WP-TENG將電能存儲于電容器后驅動電子手表的照片。

作為生物機械能收集裝置，WP-TENG可以將機械能轉化為電能。在單電極的工作模式下，該透明可拉伸WP-TENG可以輸出180.1 V的開路電壓，75.3 nC的轉移電荷量，22.6 μA的最大短路電流。因此，基于其優異的電輸出，該研究團隊將此器件用于收集人體運動（如手的拍擊、人體行走等）所產生的機械能。通過一定的電路設計，WP-TENG產生的交流電可以在整流之后存儲于商業電容器中，實現直流電流驅動可穿戴電子設備（便攜式電子表）。

圖a為輸出電壓峰值和接觸壓強之間的關系，圖b為一個手指尖不斷增大壓強來按壓1像素的傳感陣列輸出電壓，圖c為3×3像素的觸覺傳感器實物圖，圖d為安裝在手臂肌肉上的自驅動運動傳感器用于檢測肌肉運動狀態及電輸出，圖e為固定在肘部的自驅動運動傳感器用于監測肘關節的彎曲振幅及電輸出，圖f為固定在肘部的自驅動傳感器用于檢測肘關節的彎曲頻率及電輸出。

同時，還可將該WP-TENG放置于人體皮膚表面作為曲面電子器件，用于觸覺及人體運動監測的自驅動傳感器。摩擦起電機制使得該WP-TENG在沒有外部電源的情況下可實現自驅動的觸覺傳感。在壓強范圍從2到60 kPa內，傳感器具有高靈敏度，并且本工作中組裝的3像素×3像素的觸覺傳感器陣列可用于映射記錄對象的觸摸位置或與傳感器接觸的物體的形狀。此外，它不僅可以記錄簡單的運動（如肌肉的起伏），也可以通過輸出電壓的峰值大小和峰的個數來判斷關節彎曲的頻率和角度。

這三個應用使得本工作提出的可拉伸透明WP-TENG在人機界面、柔性機器人、功能顯示、可穿戴電子、智能衣等領域均表現出良好的發展前景。

參考文獻：

Z.Wen,* Y. Yang, N. Sun, G. Li, Y. Liu, C. Chen, J. Shi, L. Xie, H. Jiang, D.Bao, Q. Zhuo, and X. Sun*, A WrinkledPEDOT:PSS Film Based Stretchable and Transparent Triboelectric Nanogenerator for Wearable Energy Harvesters and Active Motion Sensors, Adv.Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201803684.

來源：高分子科學前沿