Nanogeradores Triboelétricos de Fio Totalmente de Borracha Esticáveis para Colheita de Energia Vestível Autoalimentada e Rastreamento Biomecânico

Resumo

Eletrônicos inteligentes esticáveis estão avançando rapidamente os campos de colheita de energia de movimento humano e monitoramento biomecânico autoalimentado. Aqui relatamos um novo nanogerador triboelétrico (TENG) de fio totalmente baseado em borracha que combina microesferas de vidro revestidas de prata com borracha de silicone para formar fio condutor esticável (SCT), e um SCT revestido de borracha de silicone (SSCT) como parceiro triboelétrico complementar. O resultante TENG de fio totalmente de borracha esticável (SATT) entrega tensão de circuito aberto de 3,82 V e corrente de curto-circuito de 65,8 nA a 100% de deformação, e diferencia confiavelmente estados distintos de movimento dos dedos. Quando tecido em têxtil inteligente autoalimentado (SPST) usando unidades SCT e SSCT, o dispositivo opera em dois modos: estiramento-liberação, gerando 8,1 V e 0,42 µA, e contato-separação, produzindo 150 V e 2,45 µA quando o têxtil contacta algodão. O SPST pode alimentar eletrônicos comerciais e colher energia biomecânica de movimentos articulares, oferecendo plataforma prática para geradores de energia vestíveis esticáveis e tecidos auto-sensores.

Introdução

Eletrônicos vestíveis que são confortáveis, macios e respiráveis estão se tornando integrais para monitoramento biomédico, robótica, interfaces humano-computador, aplicações militares e dispositivos de consumo. No entanto, baterias e supercapacitores convencionais lutam para atender demandas destes sistemas devido à sua rigidez, vida útil limitada, peso adicionado e impacto ambiental. Alternativa sustentável é colher a abundante energia mecânica produzida por movimento humano. Nanogeradores triboelétricos (TENGs), que convertem deformação mecânica em energia elétrica via triboeletrificação e indução eletrostática, são leves, baratos e versáteis, tornando-os ideais para vestíveis autoalimentados.

TENGs de formato de fio mostraram promessa para monitoramento de sinais fisiológicos como movimento articular, sensoriamento tátil e detecção de pulso. No entanto, sua esticabilidade — requisito crítico para movimentos complexos de membros — permaneceu desafio. Tecidos inteligentes existentes frequentemente dependem de folhas metálicas serpentinas, substratos pré-estirados ou nanofios metálicos, limitando produção em larga escala e durabilidade.

Para superar estas limitações, introduzimos SATT de dupla hélice totalmente de borracha que combina microesferas de vidro revestidas de prata dispersas em borracha de silicone (SCT) com versão revestida de borracha de silicone (SSCT). Este design alcança >100% esticabilidade, alta saída elétrica e robustez mecânica, permitindo tanto colheita de energia quanto sensoriamento autoalimentado em único fio flexível.

Métodos

Fabricação do SCT

Microesferas de vidro revestidas de prata (Shenzhen Xiate Science and Technology Co. Ltd., China) foram misturadas com borracha de silicone sólida (TN-920) na razão de peso 3:1 por 1,5 h. Mistura foi extrudada e vulcanizada a 110 °C usando máquina de extrusão de rosca, produzindo fio condutor de 1 mm de diâmetro. Cinco tais fios foram enrolados juntos, e suas extremidades revestidas com mistura de borracha de silicone (Ecoflex 00-30 e agente de cura, 1:1) e curadas sob vácuo (20 min) e 80 °C (2 h). O SCT resultante exibiu excelente esticabilidade e condutividade.

Fabricação do SSCT

SCT foi colocado em molde de 4 mm de diâmetro, e mistura de borracha de silicone (Ecoflex 00-30 + agente de cura) injetada. Após evacuação e aquecimento, SSCT foi desmoldeado, resultando em parceiro triboelétrico totalmente encapsulado.

Sistema de Medição

Microscopia eletrônica de varredura (MEV) realizada com ZEISS EVO18 (Carl Zeiss Jena, Alemanha). Saídas elétricas registradas usando eletrometro KEITHLEY 2611B.

Resultados e Discussão

SATT integra dois fios totalmente de borracha de dupla hélice: o SCT, contendo microesferas revestidas de prata uniformemente dispersas, e o SSCT, um SCT revestido de borracha de silicone. Detalhes de fabricação mostrados na Fig. 1a. Matriz de silicone de alta carga garante excelente compatibilidade mecânica, enquanto microesferas embutidas formam rede condutora 3D, concedendo ao SCT alta condutividade e esticabilidade. Imagens MEV (Fig. 1b–f) confirmam ausência de lacunas entre núcleo condutor e revestimento de silicone, e estrutura geral (Fig. 1g) pode ser esticada a ~100% deformação — bem além de TENGs de fio previamente relatados.

Elétricamente, SATT comporta como série de capacitores em paralelo. Quando esticado, superfície de silicone e núcleo condutor separam, criando diferença de potencial que impulsiona elétrons através do circuito externo. Liberação da deformação inverte fluxo, completando ciclo completo de transferência de carga.

Análise de elementos finitos usando COMSOL (Fig. 2b) valida este mecanismo: diferença de potencial aumenta linearmente com força de tração aplicada. Resistência do SCT permanece estável até 50% deformação mas sobe modestamente em deformações maiores; incorporar cinco fios condutores entrelaçados mitiga este efeito (Fig. 2c-d). Testes de durabilidade de tração mostram que SCT mantém desempenho por 10.000 ciclos a 100% deformação (Fig. 2e). Saída elétrica escala com número de fios condutores: SATT de 5 cm atinge 3,82 V (circuito aberto) e 65,8 nA (curto-circuito) a 100% deformação (Fig. 2f-g). Tempos de resposta e recuperação a 1 Hz são 48 ms e 220 ms, respectivamente, indicando adequação como sensor de movimento autoalimentado.

Para traduzir esta capacidade em têxtil, tecemos unidades SCT e SSCT em têxtil inteligente autoalimentado (SPST, 5 × 7 cm²) de trama simples (Fig. 3a-b). Quando esticado a 100% deformação, SPST gera 8,1 V e 0,42 µA (Fig. 3d-e). Durante contato-separação com algodão, SPST produz até 150 V e 2,45 µA a 100 N (Fig. 4c-d). Potência de saída atinge pico de 163,3 µW sob carga de 120 MΩ (Fig. 4e). Testes de estabilidade por 10.000 ciclos mostram nenhuma degradação de tensão (Fig. S2). Experimentos de carregamento de capacitor demonstram que capacitor de 0,47 µF atinge 14 V em 150 s, permitindo SPST alimentar LEDs e relógio comercial (Fig. 4f).

Testes funcionais confirmam capacidade do SATT atuar como sensor ativo autoalimentado. Quando fixado a dedo, dispositivo produz picos de tensão distintos correspondentes a estados de flexão (Fig. 5a). SPST, quando afixado a articulações de cotovelo e joelho, entrega 105 V–116,9 V e 0,73 µA–0,89 µA durante flexão/extensão, ilustrando seu potencial para monitoramento de reabilitação e rastreamento de atividade (Fig. 5b-c).

Conclusão

Desenvolvemos TENG de fio totalmente baseado em borracha, dupla hélice, que atinge 100% deformação, converte energia mecânica em potência elétrica e serve como sensor autoalimentado para movimento de dedo e articulação. Tecido em têxtil de trama simples, dispositivo entrega 8,1 V/0,42 µA sob estiramento e 150 V/2,45 µA durante contato-separação, com potência máxima de 163,3 µW. Estas saídas robustas permitem SPST alimentar eletrônicos comerciais, colher energia biomecânica e suportar futuras aplicações médicas e de rastreamento inteligente.