摘要: 随着世界范围内能源危机的加剧，开发新型可再生能源收集器件是大势所趋。而生物体拥有大量以各种形式存在的能量，其本身就是一个巨大的能源宝库。如果可以利用好生物体的能量就能在很大程度上改善能源危机的现状。一个体重68 Kg、脂肪含量15％的成年... 展开 随着世界范围内能源危机的加剧，开发新型可再生能源收集器件是大势所趋。而生物体拥有大量以各种形式存在的能量，其本身就是一个巨大的能源宝库。如果可以利用好生物体的能量就能在很大程度上改善能源危机的现状。一个体重68 Kg、脂肪含量15％的成年人大约可以存储384 MJ的化学能，其中部分的能量以各式各样的日常活动消耗掉，如睡眠、走路、跑步、开车等。 纳米发电机因其可以将机械能转化成电能，并且具有制备方法简便、经济成本低、转化效率高、环境友好等特点而日益受到关注。如果将纳米发电机与生物体相结合，必将引发一场新的能源革命。纳米发电机将生物体耗散的能量进行收集并用来发电，从而实现自驱动的电子器件。 本文首先研究的是将纳米发电机应用于生物体体内能量的收集。众所周知，植入式医疗器械及传感单元的可持续运行是富有挑战性的工作。因此，为了避免对患者进行二次手术更换电池，我们设想将摩擦电纳米发电机植入到生物体内收集能量并将其转化成电能，这样就可以对电子器件提供近乎终生的能量。但是目前面临的最大问题就是接触起电效应在体液的潮湿环境中会大打折扣。因此，我们提出了一种摩擦电纳米发电机的封装工艺，在保证封装效果的前提下需要尽可能地保持器件的柔性、生物相容性以及较高的电输出性能。这种柔性多层封装工艺可以克服目前摩擦电纳米发电机在潮湿环境中工作所面临的困难与挑战。通过使用PTFE、PDMS、Al2O3和Parylene等具有防水、防腐蚀性能的材料作为封装层，我们制备的封装后的摩擦电纳米发电机可以在高离子强度、高渗透压、高氢离子浓度、高氢氧根离子浓度、高温、长服役时间的条件下保持稳定输出，具有出色的可靠性。封装后摩擦电纳米发电机的转移电荷、短路电流和开路电压可以达到10.5 nC、0.8μA和70 V。此外，细胞MTT实验结果显示摩擦电纳米发电机所选用的封装材料具有良好的生物相容性，因此不必担心将器件植入到生物体内后发生潜在的危害。 物联网的快速发展需要无线、多功能化和独立的传感网络。大部分的传感器都需要电源来驱动它们工作，然而传统的电池不适合给这些传感网络提供能量。首先，传感网络内的传感器数量巨大，这些电池寿命耗尽后的替换工作将是个巨大的甚至是不可能完成的任务;其次，即使可以对电池进行替换，但是势必会造成材料资源的浪费，甚至对环境对人类造成危害。因此自驱动传感器的研制需求迫在眉睫。 本文还研究了将压电纳米发电机应用于生物体体外进行能量收集并作为可穿戴式呼吸传感器，这种传感器可以对人体的呼吸情况进行实时监控并且不需要外接电源。这种基于柔性压电P(VDF-TrFE)薄膜的纳米发电机的自驱动呼吸传感器具有高的灵敏度和可靠性，可以识别人体不同的呼吸频率以及呼吸强度。呼吸传感器输出的电信号与生理信号记录系统获取的呼吸信号匹配良好，表明其用于医疗监控系统的巨大的潜力。 收起