物联网（IoT）的快速发展和广泛应用，推动了可穿戴电子设备在小型化、多功能化、智能集成以及柔性、可拉伸性、表面适应性等优异物理特性方面的进步。然而，可穿戴电子设备的发展仍面临诸多关键挑战，尤其是多功能集成和异质表面集成。针对这些挑战，颇有前景的一种解决方案是开发可拉伸生物机械微能量收集器，将人体活动中普遍存在的生物机械微能量转换为持续且可靠的电能，以实现微电子设备的供电和自供能传感。
据麦姆斯咨询报道，近期，电子科技大学张晓升教授团队和东京大学工业科学研究所Beomjoon Kim教授合作开发出一种基于微纳多层界面的可拉伸摩擦纳米发电机（STENG）。该器件成功集成了微能源供给和多功能自供能传感（即弯曲、力和频率感知）特性，高线性度传感性能为其赋予了优异的生物特征识别能力。相关研究成果以“Stretchable nanogenerator with micro-nano hierarchical interfaces for self-powered biometric authentication”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。
开发高性能STENG的关键挑战在于赋予其功能组件（例如导电电极和摩擦电材料）优异的拉伸性能，并通过先进的微纳集成制造工艺实现离散功能组件的可扩展异质集成。针对这一挑战，研究团队提出一种基于微纳多层界面的STENG新型结构。其摩擦电偶由具有固有拉伸性的微锥形聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜和具有良好变形性的热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维薄膜组成。通过软光刻或电纺工艺实现的独特微纳多层界面结构显著提升了器件的输出性能。在电极设计方面，采用了高导电性的银纳米线（AgNW）形成导电网络，并引入了聚合物浸润的可拉伸策略。该设计策略成功实现了可拉伸银纳米线/硅胶（AgNW/SR）复合电极，并最终构建出具有优异变形性的STENG。该器件工作原理基于接触-分离模式，当外部机械刺激触发摩擦电界面发生接触-分离过程时，通过摩擦电化和静电感应的耦合效应产生电能输出。
图1 本研究提出的STENG制造过程示意图
图2 STENG的特性
图3 STENG的工作原理（摩擦电化和静电感应的耦合效应）
图4 基于微纳多层界面的输出增强机制
为了精确评估STENG的输出性能，研究团队将机械输入设定为6 Hz的垂直力。经测试，所开发的STENG产生的输出电压、输出电流和最大输出功率分别为250 V、260 μA和103 μW，经证实可通过功率管理电路（PMM）为低功耗微电子设备供电。此外，根据STENG输出与机械输入之间的定量关系，STENG可作为多功能自供能传感器用于个人活动监测，实现力、频率和弯曲的感知功能，这为生物特征识别应用提供了可行方案。
图5 STENG在6 Hz固定频率、连续可控垂直力下的电力输出
图6 STENG的多功能特性
作为应用实例，研究团队基于STENG阵列开发出一种可穿戴摩擦电键盘。该键盘能够通过支持向量机（SVM）识别所有用户的动态按键动作，准确率高达93.21%。此外，还能以81.50%的准确率将未经采样的陌生用户与授权用户区分开来。这充分证明了基于STENG阵列的键盘设备具备卓越的自供能生物特征识别能力。
图7 基于STENG阵列的可拉伸摩擦电子键盘，用于自供电生物特征识别
综上所述，这项研究提出了一种基于微纳多层界面的STENG新型结构。微结构摩擦材料（即微锥形PDMS）与纳米纤维摩擦材料（即TPU纳米纤维）的结合，为提高STENG的输出性能提供了有效策略。此外，所开发的STENG成功实现了微能源供给和自供能多功能传感（即弯曲感知、力和频率感知）的多功能集成，具有优异的线性度，这些传感能力赋予了STENG出色的生物特征识别能力。这项研究成果充分展现了STENG在自供能可穿戴应用领域的广阔发展前景。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-024-00367-3
