三校聯(lián)合開發(fā)出耐潮濕、可發(fā)電的智能鞋墊

在人體的眾多能量來源中，腳步動(dòng)作具有最大的可被收集的能量。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，此值可高達(dá)67 W，經(jīng)工程優(yōu)化后，腳步所產(chǎn)生的生物機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能量為其他人體智能設(shè)備供能，這些能量轉(zhuǎn)化原理包括壓電、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及摩擦納米發(fā)電（TENG）等。

基于此，重慶大學(xué)教授楊進(jìn)、天津大學(xué)講師葛磊姣和美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授陳俊合作，開發(fā)出了一種不怕潮濕環(huán)境、低成本、具有優(yōu)異電荷收集能力的智能鞋墊。該智能鞋墊的輸出功率高達(dá)580μW，且不受潮濕環(huán)境的影響，在含有汗液和地面積水的環(huán)境中可點(diǎn)亮260 盞LED 燈，僅需900s 即可充電88μF的電容器至2.5 V。相關(guān)研究成果發(fā)表在《ACS nano》雜志上。

根據(jù)人體力學(xué)，該鞋墊分別在前腳和后腳處設(shè)計(jì)了不同的電荷收集裝置。前腳承受人體61%重量，且著力面積大，因此采用平面構(gòu)造；后腳著力面積小且載荷也小，所以采用管狀結(jié)構(gòu)增加輸出。在此選用PET（聚酯）表面負(fù)載銅片制備第一摩擦層，選用硅橡膠為第二摩擦層，二層之間采用海綿做間隔；在管狀結(jié)構(gòu)中，硅橡膠環(huán)的內(nèi)徑和外徑分別為8mm 和10mm。

通過改變摩擦層的粗糙度、管狀結(jié)構(gòu)的尺寸、腳步動(dòng)作、模擬載荷等多個(gè)因素，作者系統(tǒng)研究了該智能鞋墊的輸出能力。研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度越高、管狀尺寸越大、載荷越大，則輸出電壓越大。當(dāng)在外電路中連接電阻為100 MΩ 和500 MΩ 時(shí)，前腳和后腳處的輸出功率分別達(dá)到最大值：138μW 和580μW。整只鞋墊在水中浸泡后，仍然具有與未沾水時(shí)同樣的輸出，實(shí)現(xiàn)了在極端環(huán)境使用的目的。綜上所述，該智能鞋墊實(shí)現(xiàn)了將人體生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的目的，有望應(yīng)用于人體傳感網(wǎng)絡(luò)和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域。