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2014年

可穿戴式能量转换器件研究进展

来源:武汉光电国家研究中心     作者:    发布时间:2016年01月05日    浏览:

  可穿戴式移动医疗是重要的发展趋势,如何为可穿戴式电子器件持续供电已经成为瓶颈。我们人体本身就是一个巨大的能量来源,主要包括人体运动、体温等。据估计,只要将少量人体能量转化为电能就能满足大多数随身携带的电子产品所需的能量。为此,武汉光电国家实验室周军教授组开展了面向人体的可穿戴式能量转换与存储器件研究,并取得新的进展。
  他们首先针对人体的低频运动特性,建立了压电驻极体动态机电转换模型(Theoretical Study of Cellular Piezoelectret Generators, Adv. Funct. Mater. 2015, DIO: adfm201503704),并获得了优化的介电常数、器件结构、极化过程、匹配负载等参数,为后续的材料及器件制备提供了有力的理论指导。进一步地,他们制备出基于多孔聚乙烯的柔性压电驻极体,其动态压电系数高达200 pC/N(静态压电系数~600 pC/N),与商业PZT5相比拟。基于这种压电驻极体,他们成功地将人体脉搏、声音等转化为电能,实现了声带振动、脉搏等生理信号的探测(Cellular Polypropylene Piezoelectret for Human Body Energy Harvesting and Health Monitoring, Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4788)。进一步地, 他们研制了柔性、可裁剪、主动式触觉传感器阵列,实现了基本运算等人机交互功能(Paper-Based Active Tactile Sensor Array, Adv. Mater. 2015, 27, 7130)。

    图1 (a) 压电驻极体器件结构示意图; (b)声音转化为电能的电流-时间曲线图(c) 主动式触觉传感器阵列。

  他们根据驻极体发电纤维在应变下的电荷转移规律,提出了一种构建新型应变传感器新思路,成功将驻极体发电纤维应用为测量人体复杂运动的智能皮肤(,Stretchable Self-Powered Fiber-Based Strain Sensor, Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1798)。在面向消费电子器件方面,他们研制了一种无氟、无金属的环保型纸基发电器件(Metal-free and non-Fluorine Paper-based Generator, Nano Energy 2015, 14, 236)。进一步地,与美国马里兰大学Liangbing Hu教授课题组合作,发明全透明纸基柔性驻极体发电器件,并研制出智能电子标签器件原型(Self-Powered Human Interactive Transparent Nanopaper Systems, ACS Nano 2015, 9, 7399)。

  图2 (a) 全透明纸基柔性驻极体发电器件及各个部件的透光性; (b), (c)器件在手指按压前后驱动LED显示屏的照片

            图3 研究成果被国际顶级学术期刊和媒体专题报道情况

  相关研究成果被Nature Nanotechology、Scientific American、Chemical & Engineering News、Nanowerk、Materials Today等专题报道,被评价为“ 重要的进展”(“ Definitely a significant advance”)。
  上述研究工作得到了国家自然科学优秀青年基金、国家自然科学重点项目以及武汉光电国家实验室主任基金等支持。

(责任编辑:陈智敏)

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