仿電鰻可拉伸水下發電機及其應用研究獲進展

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林和李舟領導的研究團隊與北京市生物醫學工程高精尖中心教授樊瑜波研究團隊聯合研製了一種仿電鰻的可拉伸發電機（BSNG, bionic stretchable nanogenerator），可以用於水下感測與能量收集。該工作中研究者模仿電鰻發電器官細胞膜上的離子通道，構造了一種機械敏感性的仿生通道，用於控制發電機內部的起電液體的往複運動，從而實現電能的轉化。兩種獨特的工作模式使得BSNG在液體環境中可以實現超過10V的開路電壓，在乾燥條件下可以實現超過170V的開路電壓。BSNG由於其出色的柔韌性、可拉伸性、機械響應性和高輸出性能等優勢，可用於人體運動監測，在乾燥和液體環境中為新一代可穿戴電子設備提供了一種有前景的替代電源。

新一代可穿戴電子設備需要具有柔性、可變形、可拉伸、生物相容性和防水等特性。可穿戴電子設備的快速發展迫切需要與之匹配的可持續電能供給。然而，如何研製出一種同時具有良好的可拉伸性，又能在多種複雜環境中都可以正常工作的一種電能轉換裝置，是一個很大的挑戰。

電鰻可以通過其獨特的發電器官在水下產生高達數千伏的電壓。在發電細胞的一個神經衝動過程中，當受到神經遞質的刺激，細胞膜上的離子通道開啟，鈉離子流入，鉀離子流出，從而產生一個150mV的膜電位。李舟團隊受發電細胞上細胞膜離子通道的啟發，利用聚二甲基矽氧烷和矽膠之間的應力失配效應，設計了一種機械敏感性的仿生通道，並將其用於構造一種可拉伸的發電機（BSNG, bionic stretchable nanogenerator）。在BSNG的一個工作周期中，當受到機械牽拉刺激時，仿生通道開啟，發電機內部的起電液體開始流動，在液體摩擦起電和靜電感應的耦合作用下產生一個高達10V的開路電壓。

這種仿電鰻的可拉伸發電機是一款可以在水下正常工作的彈性拉伸能量轉換器。BSNG周圍的矽膠層充當類似電鰻的厚脂肪層，起絕緣和保護內部仿生結構的作用，確保了器件卓越的抗拉疲勞性能和穩定的輸出性能（5萬次單軸拉伸測試後發電機的輸出沒有任何衰減）。此外，BSNG同時還具有良好的可拉伸性（拉伸率超過60%）和機械響應性。

在該工作中，BSNG可作為自驅動感測器，研究者將BSNG與潛水服整合，並結合多通道藍牙無線傳輸模塊，構建出一套水下無線多位點人體運動監測系統。通過該系統，不同泳姿下的運動信號都可以被同步傳輸顯示和記錄，可以用於泳姿的矯正和針對性訓練。該系統還可以用於監測水下工作者的運動狀態，從而起到預警的作用。

此外，研究團隊還構建了一套基於BSNG的水下救援系統，用於在水下危險特殊情況的遠程求救警報。穿戴者只需在水下活動一段時間，固定於關節處的BSNG便可收集來自人體運動的機械能，並將其轉化為電能存儲到電容器中，當遇到緊急情況時，只需拍打胸前的報警觸發器，便可遠程點亮救援信號燈。良好的可拉伸性，優秀的水下輸出性能和出色的抗拉疲勞性使BSNG可以作為水下自驅動感測器和能量採集裝置，為可穿戴電子設備的水下可持續供電帶來了新的機遇。

王中林和李舟領導的研究團隊一直致力於自驅動可穿戴電子器件的研究。2017-2019年間，研究團隊成功研製出了可用於心血管疾病診斷的自驅動可穿戴脈搏感測器（Advanced Materials, 2017, 1703456）；在穿戴式能量記憶體件方面，研發出基於活性炭塗覆的石墨烯纖維可穿戴線形超級電容器（ACS applied materials & interfaces, 2018, 10(40): 34302-34310）；基於人體靜電效應，提出了一套基於人體靜電的自驅動系統，可用於穿戴式和植入式電子設備相關的應用（ACS Nano, 2019,13,(5):6017-6024）；此外，研究團隊還總結展望了近些年可穿戴和植入式納米發電機的相關研究及應用（Advanced Functional Materials, 2019, 1808820）。

目前，李舟團隊在可拉伸能量轉換器件的研究方面實現了一個新的突破，然而，器件的小型化與智能化還有待進一步解決。在未來，BSNG有望應用於電子皮膚、軟體機器人的主動感知，以及可穿戴電子產品和植入式醫療設備的持續電能供給。在這個物聯網與各種新型電子產品並行飛速發展的時代，自驅動能源的新時代儼然將隨之到來。

相關研究成果以A bionic stretchable nanogenerator for underwater sensing and energy harvesting 為題發表在近期（6月19日）的國際學術期刊《自然-通訊》上（Nature Communications, 2019,10:2695）。該文章的第一作者為鄒洋、談溥川、石波璟，通訊作者為王中林、樊瑜波和李舟。該項工作得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、中國科學院大學以及國家萬人計劃「青年拔尖」人才項目的支持。

圖2 基於BSNG的水下無線運動監測系統

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