智能可穿戴電子設備的快速發(fā)展要求其能量來源更加廣泛、普遍、可再生、綠色且智能。事實上人體本身就含有多種可再生的能量來源，如生物能、機械能等，但人體產生的多數(shù)能量未能被充分利用而無辜浪費掉了。在人體的眾多能量來源中，人類腳步動作具有最大的可被收集的能量，據(jù)相關文獻報道，此值可高達67 W，經工程優(yōu)化后，腳步所產生的生物機械能可以轉化為其他形式的能量被其他人體智能設備供能，這些能量轉化原理包括壓電、靜電感應、電磁感應以及摩擦納米發(fā)電（TENG）等。這其中，基于摩擦起電和靜電感應的TENG以其制備簡單、低成本、高效率和環(huán)境友好等優(yōu)點獲得了研究者的廣泛青睞。但TENG的工作原理使其易受到潮濕環(huán)境的影響，水分子可快速消耗表面電荷，降低輸出電壓。常見的潮濕環(huán)境如人體汗液和自然因素（雨水、雪、霧、露水等）均會影響其在人體智能電子設備領域的應用。因此開發(fā)具有低成本、高效率、高輸出、良好防水特性的能量收集裝置對于智能電子設備的不斷發(fā)展既是要求，也是挑戰(zhàn)！
基于此，重慶大學的楊進教授、天津大學的葛磊姣講師和美國加州大學洛杉磯分校的陳俊教授合作，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580 μW，且不受潮濕環(huán)境的影響，在含有汗液和地面積水的環(huán)境中可點亮260盞LED燈，僅需900s即可充電88 μF的電容器至2.5 V。該工作以“Smart Insole for Robust Wearable Biomechanical Energy Harvesting in Harsh Environments”為題發(fā)表在最新一期的ACS nano雜志上。
根據(jù)人體力學，該鞋墊分別在前腳和后腳處設計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，因此采用平面構造；后腳著力面積小且載荷也小，所以采用管狀結構增加輸出。二者的結構示意圖如圖1所示。在此選用PET表面負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；在管狀結構中，硅橡膠環(huán)的內徑和外徑分別為8 mm和10 mm。
圖1. (a)自然環(huán)境中的水源和人體汗液；(b)12歲男孩足部著地時各個部位的壓力；(c)智能鞋墊在鞋子中的結果示意圖；(d)智能鞋墊的前腳和后腳結構示意圖；(e)智能鞋墊的實物照片。
通過改變摩擦層的粗糙度、管狀結構的尺寸、腳步動作、模擬載荷等多個因素，作者系統(tǒng)研究了該智能鞋墊的輸出能力。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，如圖2所示。當在外電路中連接電阻為100 MΩ和500 MΩ時，前腳和后腳處的輸出功率分別達到最大值：138?μW?和580 μW。整只鞋墊在水中浸泡后，仍然具有與未沾水時同樣的輸出，實現(xiàn)了在極端環(huán)境使用的目的，如圖3所示。
圖2. (a)測試平臺的結構示意圖；(b)摩擦層表面粗糙度對輸出性能的影響；(c)管狀結構的長度對輸出性能的影響；(d)不同人體動作對前腳輸出性能的影響；(e)外部模擬載荷對輸出性能的影響；(f) 不同人體動作對后腳輸出性能的影響。
圖3. (a)前腳和(b)后腳結構在外連電阻時的輸出電流和輸出功率值；(c)將智能鞋墊浸泡于水中的結構示意圖和(d)輸出曲線；(e)智能鞋墊點亮260盞LED燈；(f)智能鞋墊為電容器充電曲線。
至此，該智能鞋墊實現(xiàn)了將人體生物機械能轉化為電能的目的，在不久的未來將在人體傳感網(wǎng)絡和自驅動系統(tǒng)大放異彩。
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