王思泓团队Device：可拉伸电源利用人体运动为可穿戴器件供能 | Cell Press论文速递

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将生物电子学与人体相结合用于医疗保健、可穿戴健康检测等应用需要其供能单元具有可拉伸性、能源供应可持续、免维护性以及生物相容性。摩擦电纳米发电机（TENG）已被证明是从组织/器官运动中获取能量以为生物电子学提供动力的有前途的平台，但最先进的可拉伸TENG的输出性能有限，缺乏可拉伸的功率管理电路，并且很少能够从组织/器官的拉伸形变中获取能量。

本研究展示了一种完全可拉伸的集成式电源，由TENG、薄膜晶体管（TFT）整流器和超级电容器组成，旨在从人体广泛存在的组织/器官拉伸运动中获取机械能，从而为可穿戴、可植入式电子器件供能。该研究不仅实现了超过100%应变和组织状柔软度的可拉伸TENG，而且实现了组织/皮肤表面拉伸能量的高效收集、转换与存储。与已报道的拉伸能量收集器件相比，其输出功率密度实现了两个数量级的显著提高。不仅如此，该研究开发的 TENG被证明可以将心脏跳动过程中心肌的膨胀收缩转化为电能。对于TENG产生的脉冲交流输出，基于TFT的可拉伸整流器可以有效地将其转换为直流输出，并最终存储在可拉伸超级电容器中，而不会出现明显的能量损失。该工作在开发可持续和生物相容的生物电子电源方面迈出了重要的一步，为未来柔性可穿戴/可植入电子设备投入实际应用提供了供电的新思路。

相关成果以“An intrinsically stretchable power-source system for bioelectronics”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上。芝加哥大学联合培养博士研究生程萍、代世磊、芝加哥大学硕士研究生刘又地以及芝加哥大学博士研究生李阳为该论文的共同第一作者，芝加哥大学王思泓教授为该论文的通讯作者。

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研究背景：

近年来，可穿戴/可植入电子器件被广泛应用于监测、治疗体外和体内的慢性疾病。目前为止，大部分可穿戴/可植入式电子设备几乎都由微型电池供电，这种电池质地坚硬，并且续航时间有限。尤其对于植入式的电子设备，需要进行额外的手术来更换电量耗尽的电池，这可能对人体产生不可逆的伤害。因此，设计一种柔性可拉伸的电源器件，可以通过收集周围的能量转化成电能是保证可穿戴/可植入电子设备持续运行的关键。

机械能，尤其是拉伸形式存在的机械能在我们人体中无处不在，其运动频率低，位移也相对有限。这部分机械能是电源器件潜在的能量来源。基于摩擦起电和静电感应的耦合，摩擦纳米发电机（TENG）显示出了收集低频和无定向机械运动的优势。对于使用TENG来获取人体能量，赋予其拉伸性是特别有益的，它不仅会显著增强TENG与皮肤/组织的顺应性和生物相容性，而且还可以利用组织/肌肉的拉伸运动来驱动TENG摩擦层接触分离，从而有效地从组织/肌肉伸展中获取机械能并最终将其转化为电能。尽管已经有一些关于TENG的可拉伸设计的报道，但很少能够从组织/器官拉伸运动中获得能量，且所使用的材料和器件结构显著限制了输出性能。此外，还没有成功的例子将可拉伸性赋予不可或缺的电源管理电路，该电路至少应包括整流器和电容器或电池，这对开发完全可拉伸的基于TENG的电源模块至关重要。

本研究设计并制备出了一种本征可拉伸TENG能量收集与管理系统（HIS-TENG）来收集人体中广泛存在的拉伸形式的能量并为可穿戴电子设备供电（图1）。系统中集成了可拉伸TENG、可拉伸的薄膜晶体管（TFT）整流器和超级电容器。可拉伸TENG采用高密度接触分离模式，可以更好地适应皮肤/组织的拉伸形变，收集人体中存在的拉伸能量并提高器件输出效率，其最大功率密度可达1.1 mW/m², 并被证明可以用于动物心脏拉伸能量的收集。可拉伸整流器由四个基于TFT构建的二极管连接而成，可以有效地将TENG产生的脉冲交流输出转换为直流输出，并最终存储到可拉伸超级电容器件中。本研究的拉伸能量收集的功率模块的所有主要组件都成功地实现了可拉伸性，这是开发可持续和生物相容的生物电子电源的里程碑式成果。

图1.本征可拉伸摩擦纳米发电机系统示意图。

1.可拉伸TENG的设计与表征

图2. 可拉伸TENG的设计与表征

用于拉伸能量收集的TENG的设计需要考虑两个主要因素：生物相容性和输出性能（图2A）。从机械角度讲，植入装置需要具备良好的拉伸性能，且其生物相容性需要1-50 kPa范围内的组织样模量。为了实现这样的拉伸性和超低模量，作者使用了超软弹性体Ecoflex，并设计了一种具有一系列嵌入间隙的元结构型器件（图2B）。通过优化器件结构和材料，实现了TENG在100%应变下的机械载荷仅为0.35 N（图2C, D）。图 2E-H展示摩擦纳米发电机在不同拉伸状态下输出的转移电荷量，开路电压和在不同负载下的电流数据图。随着两种摩擦材料的分离距离逐渐变大，即拉伸变大，其转移电荷量、开路电压以及电流都有相对的提高。与已报到的可拉伸TENG相比，本文报道的TENG展现出较好的综合优势（图2I），尤其是功率密度实现了两个数量级的提升。

可拉伸TENG可以被用来收集身体不同部位的拉伸能量，例如：关节运动和心脏跳动（图3A-C），收集到的拉伸能量可以轻松地点亮两排LED灯泡。同时，作者采用了大型动物模型的心脏来测试可拉伸TENG在体内的输出性能。如图3D-H所示，可拉伸TENG可以有效的从心脏的周期性拉伸运动（即搏动）中收集电能。

图3. 可拉伸TENG能量收集应用

2.可拉伸整流器的设计与表征

为了实现器件的整体可拉伸，开发本征可拉伸整流器必不可少。整流器通常是由四个按一定顺序连接的二极管组成的。由于目前可拉伸的二极管发展受阻，可拉伸的整流器一直没有得到较好的发展。实际上，通过连接TFT的漏极和栅极构建两端器件可以获得类似二极管的性能。基于前期在拉伸TFT上的工作基础，作者首次实现了基于TFTs的可拉伸整流器（图4）。与最近报道的可拉伸的基于垂直堆叠二极管的整流器相比，使用可拉伸的TFT来实现整流器不仅实现了更高的可拉伸性，而且还提供更高的操作电压。这两者都是可拉伸TENG的功率调节的非常重要的属性。图4B, C分别展示了可拉伸晶体管和基于TFT的可拉伸二极管在不同拉伸状态下的电流-电压曲线。当对可拉伸整流器进行50%和100%的拉伸时，其输出的开启电流略微下降。当器件恢复到初始状态时，其输出的开启电流部分下降，但整体也呈现出相对较好的单向导通性能，表现为施加反向电压也几乎没有电流产生。可拉伸TFT基二极管在应变下的性能变化主要源于拉伸过程中迁移率变化和器件尺寸变化的协同效应。在可拉伸的二极管的基础上，作者将四个基于TFTs的可拉伸二极管制备在同一基底上，并连接成可拉伸的整流器，如图4D, E所示。交流信号在没有经过整流器时，电流方向正负交替，当此交流信号流经整流器后，输出的电流信号保持在同一方向上，且幅值不发生改变（图4F）。图4G进一步展示了作者构建的基于TFT的可拉伸整流器在不同拉伸方向的拉伸和扭曲实物图。

图4. 可拉伸整流器拉伸性能

3.可拉伸的能量收集系统

可拉伸超级电容器是储存能量和给不同电子产品供能的另一个关键单元。图5A是可拉伸超级电容的实物照片。它主要由四部分组成：SEBS衬底、碳纳米管电极、磷酸/聚乙烯醇电解质。可拉伸超级电容器在0% ~ 100%不同应变和0.1 V/s地扫描速度下得到的C-V曲线如图5B所示，曲线呈现出典型的、几乎重叠的矩形C-V曲线，表明其是优良的超级电容器。在电流负载为1 μA/cm²时，在不同的拉伸状态下，其测得的充放电曲线如图5C所示，从图中的输出结果可以看出，该可拉伸超级电容器展现出良好的拉伸性能。将已经设计好的可拉伸摩擦纳米发电机、可拉伸整流器以及可拉伸超级电容器结合起来就组成了一个可拉伸的能量收集与管理系统，如图5D所示。对于TENG产生的脉冲交流输出，可拉伸整流器可以有效地将其转换为直流输出，并最终存储在可拉伸超级电容器中，实现本征可拉伸能量收集和管理系统。

图5. 可拉伸能量收集与管理系统

结论：

本研究提出了一个本质上可拉伸的TENG的通用设计流程用于从人体获取最普遍的拉伸机械能。创建的可拉伸TENG既实现了卓越的皮肤/组织适应性，又实现了前所未有的高输出功率。利用最先进的可拉伸TFT技术，实现了第一个可拉伸整流器设计，并实现了对 TENG输出的全波整流。通过进一步与可拉伸超级电容器集成、实现了首个本征可拉伸TENG能量收集与管理系统。这项工作为解决可穿戴/植入式电子产品可持续运行的电源挑战迈出了重要一步。