刺繡作為製造摩擦電奈米發電機可穿戴電子產品的低成本解決方案

紡織品和摩擦電奈米發電機（TENG）的新穎組合成功地實現了自供電的可穿戴電子裝置和感測器。然而，由於複雜的製造工藝、低生產速度、高成本、機電效能差和設計能力有限，基於紡織品的 TENG 的製造仍然是一個巨大的挑戰。北卡羅來納州立大學開闢了一條開發基於紡織品的TENG的新途徑，該TENG具有簡便，低成本和可擴充套件的刺繡技術。

在織物上繡制發電紗線使研究人員能夠將自供電的數字觸控板和運動感測器嵌入到衣服中。該技術為製造可穿戴裝置提供了一種低成本、可擴充套件的潛在方法。

“我們的技術使用刺繡，這非常簡單 - 你可以直接在織物上縫製我們的紗線，”該研究的主要作者，北卡羅來納州立大學紡織工程，化學和科學助理教授Rong Yin說。“在面料生產過程中，您無需考慮有關可穿戴裝置的任何事情。您可以在服裝產品製作完成後整合發電紗線。

在Nano Energy上發表的研究中，研究人員測試了多種發電紗線設計。為了使它們足夠耐用以承受刺繡縫合過程的張力和彎曲，他們最終使用了五根市售銅線，這些銅線具有薄的聚氨酯塗層。然後，他們用另一種叫做PTFE的材料將它們縫在棉織物上。

研究人員依靠一種稱為“摩擦電效應”的發電方法，該方法涉及利用兩種不同材料交換的電子，如靜電。他們發現，與他們測試的其他型別的織物（包括棉和絲綢）相比，PTFE織物在與聚氨酯塗層銅線接觸時在電壓和電流方面具有最佳效能。他們還測試了在等離子體中塗覆刺繡樣品以增加效果。

“在我們的設計中，你有兩層 - 一層是導電的聚氨酯塗層銅線，另一層是PTFE，它們之間有間隙，”Yin說。“當兩種非導電材料相互接觸時，一種材料會失去一些電子，有些會得到一些電子。當你把它們連線在一起時，就會有電流。

研究人員透過在牛仔布上用PTFE織物繡花來測試他們的紗線作為運動感測器。他們將刺繡補丁放在手掌、腋下、肘部和膝蓋上，以跟蹤人移動時產生的電訊號。他們還在鞋墊上貼上帶有刺繡的織物，以測試其作為計步器的用途，發現它們的電訊號根據人是走路，跑步還是跳躍而變化。

最後，他們在手臂上的基於紡織品的數字鍵盤上測試了他們的紗線，他們透過在一塊棉織物上繡數字並將它們連線到一塊PTFE織物上來製作。根據該人在鍵盤上按下的數字，他們看到每個數字生成的不同電訊號。

“你可以把我們的紗線繡在衣服上，當你移動時，它會產生一個電訊號，這些訊號可以用作感測器，”尹說。“當我們把刺繡放在鞋子裡時，如果你在跑步，它會產生比你只是走路更高的電壓。當我們把數字縫在織物上並按下它們時，它會為每個數字產生不同的電壓。它可以用作介面。

由於紡織品不可避免地會被洗滌，他們在一系列洗滌和摩擦測試中測試了刺繡設計的耐用性。用洗滌劑手洗和沖洗刺繡，並在烤箱中乾燥後，他們發現電壓沒有差異或略有增加。對於塗有等離子體的原型，他們發現與原始樣品相比，效能減弱但仍優越。經過磨損測試，他們發現在10，000次摩擦迴圈後，其設計的電氣輸出效能沒有顯著變化。

在未來的工作中，他們計劃將感測器與其他裝置整合以新增更多功能並整合到可穿戴系統中。