Samowystarczalny wielomodułowy system mikrosieci bioenergetycznej

Samowystarczalny wielomodułowy system mikrosieci bioenergetycznej

Pomimo szybkiego rozwoju różnych urządzeń do zbierania i magazynowania energii, ich rozsądna integracja z wydajnymi, autonomicznymi i zrównoważonymi systemami do noszenia nie została szeroko zbadana. Tutaj przedstawiamy koncepcję i zasady projektowania mikrosieci e-tekstylnych, demonstrując wielomodułowy system mikrosieci bioenergetycznych. W przeciwieństwie do wcześniejszych hybrydowych systemów do noszenia,

prezentowana mikrosieć e-tekstylna opiera się wyłącznie na działalności człowieka, aby działać synergistycznie, gromadząc energię biochemiczną i biomechaniczną za pomocą ogniw biopaliwowych na bazie potu i generatorów tryboelektrycznych oraz regulując zebraną energię za pomocą superkondensatorów w celu uzyskania wysokiej mocy wyjściowej. Dzięki budżetowaniu energii system e-tekstylny może wydajnie zasilać wyświetlacze ciekłokrystaliczne w sposób ciągły lub system wyświetlania elektrochromowego z czujnikiem potu w sesjach pulsacyjnych, z połową czasu uruchamiania i trzykrotnym wydłużeniem czasu pracy podczas 10-minutowej sesji ćwiczeń. Wdrażając „kompatybilne współczynniki kształtu, współmierną wydajność i uzupełniającą się funkcjonalność”, elastyczna, oparta na tekstyliach mikrosieć bioenergetyczna oferuje atrakcyjne perspektywy projektowania i eksploatacji wydajnych, zrównoważonych i autonomicznych systemów do noszenia.

Wprowadzenie

Szybki rozwój elastycznej elektroniki powoduje powstanie niezliczonych czujników, obwodów i urządzeń magazynujących energię w różnych możliwych do noszenia obudowach  Aby sprostać rosnącym wymaganiom energetycznym urządzeń elektronicznych do noszenia i wyeliminować potrzebę częstych, przerywanych ładowań i kłopotliwego przewodowego przesyłania energii, systemy do noszenia mają zintegrowane urządzenia do zbierania energii, takie jak ogniwa słoneczne, generatory tryboelektryczne (TEG) oraz enzymatyczne lub mikrobiologiczne ogniwa biopaliwowe ( BFC), aby umożliwić ich samowystarczalne działanie . Różne urządzenia do noszenia ostatnio dostosowały tę strategię do zbierania energii od człowieka lub środowiska, a następnie regulowania i przechowywania odzyskanej energii w modułach magazynujących, takich jak baterie lub superkondensatory (SC) . Jednak działanie tych systemów opierało się albo na monolitycznym źródle wejściowym, które ma takie same ograniczenia w dostępności energii (np. Brak ruchu, biopaliwo, światło słoneczne), albo na wielu kombajnach, które działają równolegle, ale nie są synergiczne w realistycznym scenariuszy i wprowadzić dodatkowe ograniczenia zamiast kompensować istniejące . Ponadto wczesne wielowejściowe hybrydowe systemy zbioru, takie jak integracja ogniw słonecznych z SC i bateriami, opierały się częściowo na wejściach energii ze środowiska zewnętrznego (np. Termoelektrycznych, piroelektrycznych, fotowoltaicznych), które często są niekontrolowane  . Aby efektywnie i niezawodnie pozyskiwać energię wyłącznie z działalności człowieka, pilnie potrzebne są rozważania na poziomie systemu, aby pokierować rozsądnym wyborem komponentów o uzupełniających się cechach i współmiernej wydajności.

W związku z tym nadające się do noszenia systemy energetyczne mogą szukać inspiracji w projektowaniu i wdrażaniu mikrosieci działających w „trybie wyspowym” . Mikrosieci, a mianowicie mikrosieciowa sieć energetyczna z komponentami obejmującymi wytwarzanie energii, magazynowanie energii, różne media i funkcje zarządzania w celu regulacji przepływu energii, mogą być samowystarczalne i niezależne od głównej sieci energetycznej poprzez włączenie różnych odbiorniki energii odnawialnej i odpowiednie jednostki magazynowania energii. Takie samowystarczalne mikrosieci mogą działać niezależnie od sieci głównej, pobierając energię z lokalnych źródeł oraz regulując i przechowując odzyskaną energię w różnych modułach magazynowania energii. Niezawodność źródeł odnawialnych zwiększa się dzięki połączeniu z innymi źródłami wytwarzania (np. Generatorami paliwowymi) w celu zapewnienia terminowych dostaw energii  Ponadto te zlokalizowane źródła są sparowane z modułami magazynowania o optymalnej pojemności w oparciu o zapotrzebowanie na energię obciążenia  . Oprócz prostego dodania modułów zbierających i magazynujących, projekt mikrosieci opiera się na starannym doborze komponentów o kompatybilnych parametrach i uzupełniających się właściwościach.

Zainspirowani tym pojęciem, w niniejszym dokumencie proponujemy i demonstrujemy koncepcję nadającego się do noszenia e-tekstylnego systemu mikrosieci: wielomodułowego, tekstylnego systemu z aplikacjami zasilanymi przez komplementarne i synergiczne urządzenia do zbierania energii i współmierne moduły magazynowania energii. Aby zademonstrować tę koncepcję, w następnej sekcji opisujemy zintegrowany system mikrosieci e-tekstylnych, który łączy BFC i TEG, dwa kombajny z odrębnymi i uzupełniającymi się mechanizmami konwersji energii opartymi na działalności człowieka, wraz z modułami SC do regulacji zasilania aplikacji noszonych za pomocą zarówno niskie, jak i duże zapotrzebowanie mocy (rys.  1a). Spośród wielu proponowanych zintegrowanych kombajnów, połączenie biomechanicznych i biochemicznych kombajnów jest pożądane, ponieważ opierają się one wyłącznie na działalności człowieka. Wcześniejsze badania wykazały, że tylko taka kombinacja działa w warunkach in vitro typu “ proof-of-concept ”, stąd trudność do zastosowania w rzeczywistych scenariuszach . Dostosowując koncepcję projektu mikrosieci, praca ta bezproblemowo integruje biomechaniczne i biochemiczne kombajny wraz z urządzeniami do przechowywania energii, ze starannie zaplanowaną klasą energetyczną, w jedną platformę e-tekstylną. Kiedy ta mikrosieć zbiera energię podczas ruchów człowieka, moduły magazynujące TEG są najpierw aktywowane z natychmiastowego generowania ładunku wywołanego ruchem, aby zebrać energię biomechaniczną w celu szybkiego uruchomienia systemu, podczas gdy następnie aktywowane BFC zbierają energię biochemiczną z reakcji elektroenzymatycznych metabolitów potu na dłuższy czas. dostarczanie mocy (rys.  1b). Uzupełniająca się zależność między dwoma zbieraczami bioenergii kompensuje zatem ograniczenia BFC wynikające z opóźnionego pocenia się i TEG z powodu braku ruchu. Moduły SC regulują niskoprądowe, wysokonapięciowe wejścia z modułów TEG i wysokoprądowe, niskonapięciowe wejścia z modułów BFC, z optymalną zdolnością do dostarczania wystarczającej mocy do wyznaczonych aplikacji, przy jednoczesnym zachowaniu szybkiego rozruchu. Zoptymalizowany system może zatem szybko uruchomić się w ciągu 3 minut, aby w sposób ciągły zasilać zegarek naręczny o mocy mikrowatowej z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym (LCD) lub miliwatowym systemem czujnika i wyświetlacza elektrochromowego (ECD) działającym w sesjach pulsacyjnych i przedłużyć ich działanie do ponad 30 min w połączeniu z 10-minutową sesją ruchową (ryc.  1c). W porównaniu z wczesnymi zintegrowanymi systemami energii do noszenia na ciele, obecny system opiera się wyłącznie na nakładach energii pochodzących z działalności człowieka, a zatem nie jest zależny od środowiska zewnętrznego. Scharakteryzowano wydajność poszczególnych modułów i starannie zaplanowano budżet, aby zapewnić efektywne wykorzystanie ograniczonej ilości zebranej energii. Aby zapewnić kompatybilność z obudową do noszenia, wszystkie moduły są drukowane, tekstylne, trwałe i elastyczne i można je łatwo zintegrować z koszulą, aby zbierać energię z ruchu ślizgowego między przedramionami i tułowiem przez TEG oraz pot wytwarzany nad skrzynia przy BFC (ryc.  1d). Moduły te są połączone elastycznymi, drukowanymi srebrnymi łącznikami, które są zabezpieczone i izolowane hydrofobowym, wodoodpornym kopolimerem blokowym polistyren-polietylen-polibutylen-polistyren (SEBS). Umiejscowienie modułów zapewnia optymalne gromadzenie energii biomechanicznej przez moduł TEG z ruchów ramion, wraz z bliskim kontaktem BFC ze skórą w celu zbierania potu. Umieszczenie BFC i SC na klatce piersiowej minimalizuje również możliwe odkształcenia zginania i marszczenia, które mogą wpływać na ich zbieranie energii i efektywność zbierania. Wdrażając „komplementarne, współmierne, kompatybilne” zasady projektowania, mikrosieciowy system tekstylny stanowi atrakcyjny przykład przyszłych zintegrowanych systemów pokładowych, które są autonomiczne, niezawodne, synergiczne, zrównoważone i energooszczędne.

rysunek 1
Rys. 1: Projekt i koncepcja wielomodułowego systemu mikrosieci energetycznych.

Wyniki

Charakterystyka modułów mikrosieci

TEG zostały wybrane jako biomechaniczne zbieracze energii w tym nadającym się do noszenia systemie mikrosieci ze względu na ich natychmiastową reakcję na ruchy w celu wytworzenia energii. Od momentu powstania w 2012 roku, TEG stały się najlepiej zbadanymi przenośnymi odbiornikami energii mechanicznej ze względu na prosty mechanizm generowania i bogaty wybór materiałów  . Obecny moduł TEG składa się z ujemnego mechanizmu napędowego na bazie politetrafluoroetylenu (PTFE) i dodatniego stojana na bazie etylocelulozy i poliuretanu (EC-PU) w układach naprzemiennych (rys.  2a i uzupełniający rys.  1 ) i jest przeznaczony do zbierania energii z ruchów ślizgowych, jak pokazano na rys.  2b  Aby zapewnić kompatybilność wytwarzania elementów TEG z platformą tekstylną z dużą elastycznością i trwałością, każda pojedyncza warstwa TEG została sformułowana w tusz do sitodruku ze spoiwem elastomerowym, który jest wodoodporny i odporny na ścieranie. Moduły TEG charakteryzowano przy niskich częstotliwościach poślizgu w zakresie od 0,833 Hz do 3 Hz, symulując realistyczną prędkość kołysania się ludzkich rąk od chodzenia (poniżej 1 Hz) do biegania (1,5–3 Hz). Jak pokazano na ryc.  2c – d i dodatkowym ryc.  6mierzone maksymalne napięcie szczytowe, niezależne od częstotliwości, wyniosło ok. 160 V. Z kolei prąd szczytowy rośnie prawie liniowo wraz z częstotliwością, od 45 μA przy 0,833 Hz do 130 μA przy 3 Hz, odzwierciedlając liniowo skrócony czas przesyłania tej samej ilości ładunku między napędem a stojanem 46 . Aby upewnić się, że moduł TEG jest sparowany z odpowiednią pojemnością pamięci, początkowo do charakteryzacji użyto komercyjnych kondensatorów elektrolitycznych o znanej pojemności w zakresie od 1 μF do 1 mF, które były ładowane przez rektyfikowany moduł TEG w 60-sekundowych sesjach ślizgowych 1,5 Hz podczas rejestracji napięcia kondensatora (rys.  2e). Aby ekstrapolować odpowiednie dane dotyczące wydajności z krzywych ładowania, całkowitą energię zebraną w danym okresie i zebraną energię obliczono za pomocą równania:E= frac12CV2E= frac12CV2(1)

gdzie E to energia zmagazynowana w kondensatorze w J, C to pojemność kondensatora w F, a V to napięcie naładowanego kondensatora w V ; a średni prąd obliczono ze wzoru:I=C fracdVdtI=C fracdVdt(2)

gdzie I to średni prąd z modułu TEG w A, C to pojemność kondensatora w F, a to szybkość zmiany napięcia w V s – 1 . Korzystając z powyższych równań obliczono sumaryczną ilość zmagazynowanej energii oraz średni prąd i podsumowano na rys.  2f . Średni prąd pozostał w większości niezmieniony na poziomie 5,8 μA dla różnych kondensatorów, podczas gdy zmagazynowana energia maksymalizowała się na poziomie 0,49 mJ w pobliżu obciążenia 100 μF. Charakterystyki ładowania modułów TEG przy różnych częstotliwościach zostały również przetestowane i przedstawione na rys.  2g – hreVretdVdt. Dane te pokazują prawie liniowy wzrost zmagazynowanej energii i średniego prądu z częstotliwością poślizgu, co potwierdza zachowanie obserwowane na rys.  2d . Trwałość mechaniczną modułów TEG oceniano również poprzez wielokrotne składanie, zgniatanie i przedłużone ścieranie (rys.  2i ). Moduły TEG były wielokrotnie składane z promieniem poniżej 1 mm przez 100 cykli i monitorowano ich napięcie w obwodzie otwartym (V OC ) podczas ruchu ślizgowego 1,5 Hz, co nie wykazało zauważalnej zmiany (rys.  2j ). Moduły TEG były również losowo zgniatane i spłaszczane kilkakrotnie 100 razy, a ich V OC monitorowano podczas przesuwania. Odkształcenie polegające na zgniataniu również nie wykazało zmiany w działaniu (rys.  2k). Zbadano również wytrzymałość modułu na ciągłe tarcie i zmywanie, gdzie moduł TEG był poddawany ciągłemu przesuwowi przez ponad 2000 cykli i 20 min mycia, bez widocznego spadku V OC (rys.  2l i uzupełniający  21). ). Moduły TEG można zatem uznać za elastyczny i trwały biomechaniczny zbiór energii i były gotowe do integracji. Patrz uwaga dodatkowa  1 i rysunki uzupełniające. 2 – 5 w celu szczegółowej optymalizacji urządzenia, metody charakteryzacji i obliczenia wydajności TEG.

Rysunek 2
Rys. 2: Charakterystyka wydajności modułu TEG.

W systemie mikrosieci do noszenia, BFC oferują funkcję ciągłego zbierania energii biochemicznej z metabolitów obecnych w biopłynach poprzez reakcje elektroenzymatyczne. Ze względu na wysokie stężenie mleczanu w ludzkim pocie opracowano szereg BFC opartych na pocie jako nadające się do noszenia zbieracze energii  . Nadające się do noszenia moduły BFC zostały również wydrukowane metodą sitodruku przy użyciu różnych kompozytów atramentowych na podłożach tekstylnych. Granulki na bazie nanorurek węglowych (CNT) zostały przymocowane do wzajemnie połączonych połączeń „mostek wyspowy” (rys.  3a-b i uzupełniający rys.  8).) składa się z elastycznego kompozytu węglowego jako kolektorów prądu i elastycznego kompozytu srebrnego jako przewodzących połączeń wzajemnych. Jak pokazano na fig.  3c , takie zbieranie bioenergii polega na utlenianiu mleczanu katalizowanym przez oksydazę mleczanową (LOx) unieruchomioną na bioanodzie oraz na reakcji redukcji tlenu, którą ułatwia oksydaza bilirubiny (BOx) na katodzie. W celu wydajnego zbierania bioenergii z potu, peletki anodowego CNT załadowano wstępnie mediatorem 1,4-naftochinonu (NQ), jednocześnie ograniczając LOx środkiem sieciującym z aldehydem glutarowym (GA) i chitozanem; granulki katodowe na bazie CNT zostały udekorowane protoporfiryną IX (PPIX) jako promotorem przenoszenia elektronów 52, podczas unieruchamiania BOx za pomocą Nafionu. Szczegółowy opis wytwarzania i składu peletów anodowych i katodowych opisano w części „Metody” oraz w uwagach uzupełniających  2 . Wszystkie testy in vitro do scharakteryzowania BFC przeprowadzono w 0,5 M roztworze buforu fosforanowego (PBS) o pH 7,4. Tradycyjnie nadające się do noszenia urządzenia BFC charakteryzują się LSV, z szybkością skanowania bliską 5 mV s −1,  . Jednak w przypadku elektrod o dużej powierzchni, takich jak granulki CNT, taki szybki LSV będzie skutkował nierealistycznie wysoką mocą z powodu prądów pojemnościowych (rysunek uzupełniający  11). Dlatego wytworzone moduły BFC scharakteryzowano za pomocą chronoamperometrii (CA) przy różnych potencjałach w obecności 15 mM mleczanu, aby odzwierciedlić realistyczną moc wyjściową BFC w wydłużonych sesjach wyładowania. Testowanie modułów BFC dało maksymalną moc 21,5 μW na moduł przy rozładowywaniu BFC przy 0,5 V (rys.  3d – e ). Odpowiedź BFC na różne stężenia mleczanu oceniano przy użyciu CA, jak pokazano na Rys.  3f , Dodatkowe ryc. 12 i 13, gdzie moc na moduł wzrasta z 9,7 μW przy 5 mM mleczanu do 25,3 μW przy 25 mM mleczanu. Wytrzymałość mechaniczna i stabilność BFC zostały również przetestowane przy użyciu CA. Moduł został zagięty 1000 razy do 180 ° do wewnątrz, a następnie na zewnątrz z promieniem 1,3 cm (rys.  3g ), przy pomiarze prądu 0,5 V przed i po zginaniu w środowisku 10 mM mleczanu. Jak pokazano na rys.  3h , moc BFC nie wykazała żadnej zauważalnej zmiany przed i po gięciu. Taką sprężystość przypisuje się przede wszystkim strukturze „mostka wyspowego”, w której nieelastyczne, funkcjonalne peletki elektrod jako wyspy są połączone elastycznymi, przewodzącymi połączeniami srebrnymi. Stabilność BFC badano również przez cały tydzień (jak pokazano na dodatkowym Fig.  14). Badany BFC przechowywano w lodówce w temperaturze 4 ° C i wyjmowano go do badania co 24 godziny w środowisku 10 mM mleczanu. Wyniki poszczególnych pomiarów CA podsumowano na rys.  3i . Dodatkowe szczegóły dotyczące wytwarzania i charakterystyki modułu BFC, w tym jego zmywalność i stabilność w symulowanych warunkach potu, można znaleźć w uwadze dodatkowej  2 i rysunkach uzupełniających. 7 – 11 , 15 i 21 .

rysunek3
Rys. 3: Charakterystyka działania modułu BFC.

Elastyczne, drukowane układy SC są wybierane ze względu na ich zdolność do wielokrotnego i szybkiego ładowania i rozładowywania w celu zapewnienia elastycznego zakresu mocy – cecha wysoce pożądana w przypadku szybkiego rozruchu i zastosowań impulsowych o dużej mocy. Hybrydowy kondensator CNT i poli (3,4-etylenodioksytiofenu) polistyrenosulfonianu (PEDOT: PSS), oferujący sitodruk i wysoką elastyczność, został przyjęty jako symetryczne, naprzemienne elektrody, które są połączone elastycznymi kolektorami srebrnymi (Rys.  4a i Rys. Uzupełniający  15 ) 54. Każdy moduł SC składa się z 5 jednostek SC połączonych szeregowo, aby osiągnąć pożądany zakres napięcia 5 V do bezpośredniego zasilania elektroniki, przy czym każda jednostka SC zawiera cztery wzajemnie połączone segmenty elektrody CNT-PEDOT: PSS pokryte zestalonym, przezroczystym, elastycznym kwasem siarkowym. elektrolit z usieciowanego polialkoholu winylowego (PVA) (Rys.  4b i Dodatkowy Rys.  16 ). Kondensator hybrydowy przechowuje energię elektryczną zarówno poprzez dwuwarstwową pojemność, którą zapewniają CNT o dużej powierzchni właściwej, jak i pseudopojemność z PEDOT: PSS, jak pokazano na rys.  4c.. Powierzchniową pojemność drukowanego materiału SC scharakteryzowano zarówno za pomocą woltamperometrii cyklicznej (CV) przy różnych szybkościach skanowania, jak i galwanostatycznego ładowania-rozładowania (GCD) z różnymi prądami. GCD przeprowadzono przy ładowaniu / rozładowaniu między 0 V i 1 V z prądami 25, 50, 100, 250 i 500 μA (rys.  4d ). Pojemność przy rozładowaniu służy do pomiaru pojemności jednostki SC, którą oblicza się za pomocą równania:do=jaΔ tA (mifa-mija)C=IΔtA(Ef−Ei)(3)

gdzie C to pojemność powierzchniowa w F cm −2 , I to prąd w A, Δt to czas potrzebny na wyładowanie, A to geometryczna powierzchnia elektrod, f to naładowany potencjał w V, a i to wyładowany potencjał w V. CV przeprowadzono z szybkościami skanowania 5, 10, 25, 50, 100 mV s −1 pomiędzy oknem 0 V i 1 V (rys.  4e ). Pojemność powierzchniową oblicza się według wzoru:do=12 ν A (mifa-mija)∫mifamijajareVC=12νA(Ef−Ei)∫EiEfIdV(4)

gdzie C jest pojemnością powierzchniową w F cm −2 , ν jest szybkością skanowania w V s −1 , A jest obszarem geometrycznym elektrod w cm 2 , f jest wyższym potencjałem wierzchołka w V, i jest dolnym wierzchołkiem potencjał w V, a I jest prądem w A. Zgodnie z ustaleniami obu metod charakteryzacji pojemność drukowanego SC określono na ok. 10 mF cm −2 (rysunek uzupełniający  17). Kilka modułów SC można łączyć szeregowo lub równolegle, aby dostosować całkowitą pojemność, aby pasowała do kombajnów i aplikacji, aby uzyskać optymalną prędkość ładowania i dostarczyć wystarczającą ilość energii (Rys.  4f ). Stabilność modułu jest analizowana przez wykonanie cykli GCD na module SC. Stabilność mechaniczną modułu oceniano stosując 1000 cykli powtarzanych cykli zginania do wewnątrz na zewnątrz pod kątem 180 ° z promieniem gięcia 0,5 cm (rys.  4g ). Jak pokazano na rys.  4h, zachowanie SC nie wykazuje zauważalnych zmian przed i po 1000 cyklach odkształcenia zginającego, co sugeruje solidną elastyczność modułu SC w zastosowaniach noszonych. Aby zapobiec wypłukiwaniu kwaśnego elektrolitu, urządzenie jest uszczelnione dodatkową warstwą nadrukowanego SEBS. W ten sposób urządzenie może wytrzymać przedłużone zwilżanie i mycie bez wymywania elektrolitu lub obserwowalnej degradacji jego działania (rysunek uzupełniający  21 ). Stabilność elektrochemiczną modułu SC badano przez 1000 cykli GCD między 0 V a 5 V przy prądzie 50 μA. Jak pokazano na rys.  4i , pojemność powierzchniowa SC wykazuje niewielki spadek pojemności powierzchniowej po 1000 cykli do ok. 9 mF cm- 2podczas gdy sprawność kulombowska stopniowo wzrasta do 95%. Wydajność elektrochemiczna SC jest zatem akceptowalna w przypadku zastosowania mikrosieci, w którym spodziewane jest w przybliżeniu kilkaset cykli ładowania-rozładowania. Szczegółową charakterystykę i obliczenia wydajności SC opisano w uwadze dodatkowej  3 i na rysunkach uzupełniających. 18 – 19 . W sumie każdy moduł SC został oceniony na pojemność ok. 150 μF.

rysunek4
Rys. 4: Charakterystyka wydajności modułów SC.

Synergistyczne zbiory bioenergii

Aby zademonstrować synergistyczny efekt pomiędzy modułami TEG i modułami BFC, symulowano typową sesję ćwiczeń, stosując stałe ruchy ślizgowe 1 Hz – 1,5 Hz i wzbogacanie 10–15 mM paliwa mleczanowego. Korzystając z tego ustawienia, zasymulowano trzy scenariusze: (i) początek ruchu, po którym następuje początek pocenia się; (ii) ruchy i pocenie się odbywające się jednocześnie; i (iii) ruchy ustają, ale pocenie się trwa. W symulacjach trwających 4 minuty do ładowania jednego modułu SC zastosowano dwa moduły TEG prostowane prostownikiem mostkowym i jeden moduł BFC modulowany wzmacniaczem napięcia DC (rysunek uzupełniający  21 ). Każdy scenariusz był testowany tylko z TEG (niebieska krzywa), tylko BFC (zielona krzywa) i oba moduły działające razem (czerwona krzywa). Jak pokazano na rys.  5a, w fazie rozruchu moduł TEG był w stanie naładować moduł SC natychmiast po rozpoczęciu ruchu, podczas gdy moduł BFC nie był w stanie zapewnić zasilania z powodu braku mleczanu. Kiedy dodano mleczan, BFC zaczął reagować na dodatek paliwa, aby zapewnić moc SC. Addytywny efekt integracji dwóch uzupełniających się kombajnów do zbierania energii można zaobserwować w pozostałej części symulacji, gdzie ich prędkość ładowania przewyższa indywidualnie działające kombajny. Taki efekt addytywny utrzymywał się przez cały scenariusz (ii) i pierwszą połowę scenariusza (iii). Gdy tylko ruch ślizgowy ustał, moduł TEG natychmiast zatrzymał swoją pracę. W przeciwieństwie do tego, moduł BFC kontynuował pracę ze względu na obecność paliwa mleczanowego do ładowania modułu SC bez przerwy. Poza efektami addytywnymi dwóch odbiorników energii, wykazano zalety integracji uzupełniających się modułów TEG i BFC: na początku ruchu szybko uruchamiający się moduł TEG może zrekompensować powolne uruchamianie BFC; w zamian przejściowo zbierający moduł TEG został skompensowany przez moduł BFC o przedłużonym działaniu po zatrzymaniu ruchu, jak pokazano na rys. 1b . To synergiczne zachowanie, którego nie oferowały żadne wcześniejsze badania, jest wysoce pożądane ze względu na niezawodne i zrównoważone działanie systemu do noszenia z własnym zasilaniem. Zgodnie z oczekiwaniami, prędkość ładowania 1 Hz ślizgowego, 10 mM stanu symulacji mleczanu (ryc.  5a (i) – (iii) ) była najwolniejsza spośród wszystkich trzech, po czym nastąpił przesuw 1,5 Hz, stan 10 mM mleczanu (ryc.  5a (iv) – (vi) ), przy przesuwaniu 1,5 Hz, stan mleczanu 15 mM najszybciej ładuje kondensator (Rys.  5a (vii) – (ix) ). We wszystkich trzech sytuacjach synergistyczny efekt addytywny zaobserwowano we wszystkich 3 fazach stanu, a komplementarne efekty szybkiego wzmocnienia i przedłużonego zbioru obserwowano odpowiednio dla początkowej i końcowej fazy wszystkich trzech warunków.

rysunek 5
Rys. 5: Wydajność ładowania in vitro i na ciele mikrosieci bioenergetycznej do noszenia.

Synergistyczny efekt zintegrowanego zbierania energii został dodatkowo scharakteryzowany za pomocą testów na ciele w celu zmierzenia optymalnej pojemności, która może głównie odzwierciedlać takie uzupełniające się efekty szybkiego rozruchu i wydłużonego zbioru. Dwa TEG, dwa BFC i odpowiadające im moduły SC zostały nadrukowane po lewej i prawej stronie talii, poniżej kołnierza i przed koszulą, odpowiednio, jak pokazano na rys.  1c , i zostały połączone za pomocą drukowanych srebrnych śladów i emaliowane przewody z odpowiednią izolacją. Hydrożel PBS na bazie PVA nałożono na moduł BFC w celu wychwytywania potu. Wykonano 10-minutową sesję ćwiczeń na maszynie rowerowej, jak pokazano na ryc.  5b, gdzie częstotliwość kołysania ramion była utrzymywana blisko 1,5 Hz, po czym następowało 20 minut odpoczynku. Podobnie do symulacji in vitro, zintegrowany system na ciele został przetestowany tylko z TEG, tylko BFC i wszystkimi kombajnami działającymi razem. Rysunek  5cdemonstruje wydajność zintegrowanego systemu w zakresie gromadzenia energii na ciele. W przypadku systemu działającego wyłącznie na modułach TEG, zbieranie energii rozpoczynało się natychmiast po rozpoczęciu kołysania ramion i ładowało moduł SC w sposób ciągły przez całą 10-minutową sesję ćwiczeń. Gdy tylko ruch ustał, TEG przestał dostarczać energię, a moduł SC powoli samoczynnie się rozładowywał. W przypadku systemu działającego wyłącznie na module BFC system cierpiał na powolne uruchamianie z 6-minutowym opóźnieniem. Jednak BFC był w stanie dostarczyć energię do modułu SC szybko po rozpoczęciu pocenia się i w pełni naładować SC w ciągu 17 minut.Po zatrzymaniu ćwiczenia moduł BFC był w stanie nieprzerwanie zasilać moduł SC przez okres 30 minut odzwierciedlające ciągłą obecność potu. W końcu, Zintegrowany system był w stanie skompensować zarówno powolne uruchamianie, jak i przejściowe gromadzenie, szybko w pełni ładując moduł SC w ciągu 7 minut, utrzymując maksymalne napięcie przez 30 minut. Oprócz danych przedstawionych na rys. 5c , działanie systemu na ciele przetestowano również z modułami SC skonfigurowanymi z pojemnością 75 μF, 150 μF i 300 μF (rys.  5d). Ładowanie rozpoczyna się od 0 V zamiast 2 V, aby zademonstrować rozruch wzmacniacza napięcia na początku operacji. Moduły SC zostały całkowicie rozładowane do 0V, a ich potencjał monitorowany podczas ładowania, a sesje ćwiczeń były zatrzymywane dopiero po pełnym naładowaniu SC do 5,1 V lub osiągnięciu limitu 30 min. Jak pokazano na rysunku, czas potrzebny do pełnego naładowania modułu SC wzrósł wraz ze wzrostem pojemności zarówno poszczególnych kombajnów, jak i zintegrowanych kombajnów mikrosieciowych. Zachowanie synergistyczne i komplementarne można nadal obserwować w fazie ładowania ładowania, gdzie zintegrowany system zbioru może w pełni naładować moduł SC szybciej niż poszczególne kombajny, począwszy od 4 min dla kondensatora 75 μF, do 8 min dla 150 μF. Kondensator μF i 12 min dla kondensatora 300 μF. Wyniki te potwierdziły zatem symulację in vitro, w pełni ilustrując komplementarne i synergiczne zachowanie nadającego się do noszenia systemu mikrosieci, który oferuje szybkie uruchamianie i wydłużone zbieranie energii w celu gromadzenia energii podczas sesji ćwiczeń. Dodatkowe szczegóły eksperymentalne, dane i dyskusje dotyczące badań in vitro i testów na ciele można znaleźć w uwadze dodatkowej 4 .

Jako przykłady dwóch trybów pracy wybrano dwie aplikacje do noszenia, aby zademonstrować potencjał i zalety systemu mikrosieci nadającej się do noszenia (rys.  6a ). SC jest atrakcyjnym modułem magazynowania energii dzięki elastycznym szybkościom rozładowania, które umożliwiają ciągłe zasilanie aplikacji o małej mocy lub aplikacji o dużej mocy w krótkim, impulsowym trybie bez uszkodzenia modułu. W celu efektywnego wykorzystania ograniczonej energii zmagazynowanej w modułach SC scharakteryzowano pobór mocy przez aplikacje, a moduły SC skonfigurowano z minimalną, ale wystarczającą pojemnością do szybkiego uruchamiania przy jednoczesnym zapewnieniu pomyślnej pracy. Szczegółowe procedury wytwarzania i charakteryzacji, dodatkowe dane i dalsze dyskusje można znaleźć w dodatkowych uwagach  5i Fig. uzupełniające. 22 – 31 .

rysunek 6
Rys. 6: Nadający się do noszenia system mikrosieci bioenergetycznej o różnych zastosowaniach.

Bazujący na tkaninie czujnik jonów sodu (Na + ) zintegrowany z nadającym się do noszenia, elastycznym pikselowym wyświetlaczem ECD został opracowany jako przykład dla aplikacji o wyższym zapotrzebowaniu na moc, działających w trybie pulsacyjnym. Opracowany potencjometryczny czujnik Na + wykazywał prawie Nernstianowską odpowiedź na stężenie celu Na + , z potencjalną zmianą 57,19 mV na dekadę zmiany stężenia (Rys.  6d i Uzupełniający Rys.  23 ). Wyjście czujnika może być natychmiast odczytane przez zaprogramowany układ scalony i zgłoszone poprzez zmianę koloru indywidualnie sterowanych pikseli ECD, jak pokazano na rys.  6c i filmie uzupełniającym  2.. Działanie pikseli ECD jest zgodne z prostą odwracalną reakcją redoks PEDOT: PSS,P.miD OT+P.SS-+ Nza++mi-↔ P.miD OT0+ Nza+P.SS-PEDOT+PSS−+Na++e−↔PEDOT0+Na+PSS−(5)

ma to miejsce, gdy napięcie powyżej +1 V jest przyłożone do elektrod panelu tylnego, a reakcja redukcji zachodzi na panelu przednim i zmienia kolor z jasnoniebieskiego na ciemnoniebieski (Film uzupełniający  1 ). Do odczytu sygnału wejściowego z czujnika Na + i sterowania włączaniem / wyłączaniem poszczególnych pikseli ECD wybrano jednostkę mikrokontrolera małej mocy (MCU) . ECD jest w stanie szybko odświeżyć i utrzymać wyświetlacz bez ciągłego zasilania.

Konfiguracja mikrokontrolera została przedstawiona na dodatkowym rys.  28 . Sterownik został wstępnie zaprogramowany do wyświetlania potencjału do 0,32 V, przy czym każdy piksel ECD odpowiada jednemu przyrostowi 0,04 V na wyjściu czujnika. Pobór mocy mikrokontrolera podłączonego do układu czujnik-ECD mierzono analogicznie za pomocą potencjostatu ustawionego na inne napięcie, co przedstawiono na dodatkowym rysunku  29.. Jak pokazano, pobór mocy mikrokontrolera przekroczył zegarek o 3 rzędy wielkości, w zakresie od 4 mW przy 2 V do 30 mW przy 5 V. Jednak mikrokontroler był w stanie szybko uruchomić się w ciągu pierwszych 50 ms, odczytywać i dostarczają sygnały do ​​pikseli ECD w ciągu pierwszych 200 ms, co pozwala na przejściowe zasilanie tego układu z rozładowania jednego naładowanego kondensatora. Energię zużytą podczas jednej sesji rozładowania można oszacować za pomocą równania:mi= P× tE=P×t(6)

gdzie E to energia w J, P to moc w W, at to czas w s. Aby zapewnić 200 ms działania przy najniższej mocy ok. 4–5 mW, oszacowano zatem potrzebną energię na ok. 0,8–1 mJ. Kondensatory o pojemności od 100 μF do 470 μF były w stanie dostarczyć wystarczającą ilość energii do mikrokontrolera podczas jednej sesji ciągłego rozładowywania z większymi kondensatorami, które nie wykazały znacznego wydłużenia czasu pracy (rysunek uzupełniający  29b). Kondensatory były rozładowywane przy wyładowaniu pulsacyjnym 200 ms, gdzie większe różnice były wyraźniejsze. Kondensatory o większej pojemności były w stanie wytrzymać wiele sesji odświeżania, a liczba sesji maleje wraz z pojemnością, jako 1 udana sesja rozładowania ze 100 μF przy nieznacznie nadmiarowej ilości energii i 1 rozładowanie z kondensatora 47 μF, który nie ostatni przez całą sesję trwającą 200 ms (rysunek uzupełniający  29c). W ten sposób określa się, że moduły SC 75 μF powinny zachować wystarczającą ilość energii, aby wytrzymać jedną pełną sesję odświeżania. Wymagany stan naładowania SC został następnie scharakteryzowany przez ładowanie modułu SC 75 μF do różnych potencjałów i użycie SC do zasilania jednej sesji odświeżania, podczas gdy kolor na ECD zarejestrowano w celu określenia minimalnego stanu naładowania wymaganego dla 75. Moduł μF SC do wywoływania zmiany koloru z wystarczającym kontrastem (rysunek uzupełniający  30). Można zaobserwować, że kontrast włączonych i wyłączonych pikseli stopniowo malał wraz z początkowym stanem naładowania modułów SC, z ledwo rozpoznawalną różnicą poniżej 3,5 V. W ten sposób zdecydowano o minimalnym potencjale 4 V przed rozpoczęciem sesji odświeżania. Aby potwierdzić powyższe obliczenia energii wymaganej na jedną sesję operacyjną, energię zmagazynowaną w kondensatorze obliczono za pomocą równania:miSdo=12do(V2ja-V2fa)ESC=12C(Vi2−Vf2)(7)

gdzie SC jest energią rozładowaną z SC w J, C jest pojemnością SC w F, 2 jest potencjałem SC przed wyładowaniem w V, a 2 jest potencjałem SC po wyładowanie w V. Dla 75 μF SC do rozładowania od 4 V do 1,25 V, energia uwolniona z wyładowania jest więc obliczana na 0,88 mJ, co jest zgodne z poprzednimi obliczeniami opartymi na równaniu. ( 6 ). W ten sposób wybrano moduły SC 75 μF z napięciem progowym 4 V, aby umożliwić szybkie uruchamianie, zapewniając jednocześnie wystarczającą ilość energii do udanej sesji odświeżania sensora.

Zintegrowana aplikacja czujnika ECD do noszenia na ciele została zintegrowana z mikrosiecią i przetestowana na ciele podczas 10-minutowej sesji ćwiczeń. Jak pokazano na rys.  6emoduł SC został naładowany do 4 V i rozładowany w celu odświeżenia układu czujnik-ECD. W pełni zintegrowany system mikrosieci był w stanie uruchomić się szybko w ciągu 3 minut i okresowo odświeżać wyniki podczas 30-minutowej pracy. Dla porównania, moduł BFC cierpiał na powolne uruchamianie z powodu opóźnionego pocenia się, podczas gdy moduły TEG nie były w stanie utrzymać operacji po zatrzymaniu ruchu. Warto zauważyć, że szybsza prędkość doładowania w scenariuszu z samym TEG wynika z braku potrzeby dostarczania niewielkiej ilości energii do wzmocnienia wzmacniacza napięcia. W obu aplikacjach z różnymi trybami pracy,

Jako reprezentatywną aplikację wybrano zegarek naręczny o małej mocy z wyświetlaczem LCD, który jest stale zasilany przez nadający się do noszenia system mikrosieci. Napięcie 2,5 V jest określane jako napięcie progu włączenia, odpowiadające minimalnemu napięciu, które ma wyświetlać wyświetlacz LCD z wystarczającym kontrastem (rys.  6b ). Pobór mocy zegarka został oszacowany poniżej 10 μW, co ma niewielkie zapotrzebowanie na jednostkę pamięci (rysunek uzupełniający  27 ). Dwa moduły SC połączone szeregowo o pojemności 75 μF zostały wybrane, aby zapewnić szybkie uruchamianie przy jednoczesnym zachowaniu wydłużonej pracy, gdy mikrosieci czerpią z działalności człowieka. Przeprowadzono krótkie, 8-minutowe sesje ćwiczeń, z ciągłym rejestrowaniem potencjału SC. Jak pokazano na rys.  6f, jednoczesne pobieranie energii BFC-TEG było w stanie szybko uruchomić zegarek w ciągu 2 minut i utrzymać jego ciągłą pracę przez ponad 30 minut. na krótki okres czasu, zanim napięcie modułu SC spadnie poniżej 2,5 V.

Dyskusja

Podsumowując, przedstawiliśmy koncepcję nadającej się do noszenia mikrosieci bioenergetycznej za pomocą wielomodułowego systemu opartego na tekstyliach do sekwencyjnego pozyskiwania energii biomechanicznej i biochemicznej za pośrednictwem modułów TEG i BFC. Mikrosieć może przechowywać i regulować zebraną energię za pomocą wydajnie sparowanych modułów SC, aby wydajnie zasilać aplikacje do noszenia, takie jak zegarek na rękę LCD i system czujnika-ECD. Wdrażając „kompatybilne, uzupełniające się i współmierne” zasady projektowania, wszystkie moduły zostały dokładnie scharakteryzowane i skutecznie zintegrowane, aby szybko, autonomicznie i w sposób zrównoważony dostarczać energię przy użyciu ograniczonej ilości zebranej energii. Wszystkie drukowane moduły, drukowane za pomocą atramentów kompozytowych na bazie polimerów, są elastyczne, trwałe i gotowe do bezproblemowej integracji na platformach tekstylnych. W porównaniu z poprzednią integracją nadających się do noszenia urządzeń do zbierania i magazynowania energii, praca ta koncentruje się na uzupełniających się relacjach między dwoma kombajnami do zbioru bioenergii, które działają synergicznie w celu wychwytywania energii z ruchu człowieka, oraz ich parowaniu z modułami pamięci masowej o proporcjonalnej pojemności w celu zmaksymalizowania wydajności i wydajności. Dzięki zoptymalizowanemu parowaniu komponentów, taka mikrosiateczka do noszenia może szybko uruchomić wybrane aplikacje, utrzymując ich działanie znacznie dłużej niż sesje ćwiczeń, zapewniając w ten sposób niezawodność i praktyczność systemu do noszenia. Aby jeszcze bardziej ulepszyć taki system mikrosieci E-tekstylnych, bardziej modułowe koncepcje projektowe, takie jak wytwarzanie odłączalnych i wymiennych kombajnów przypominających plasterki, urządzeń magazynujących i czujników, można dostosować w celu rozszerzenia zastosowania i stosownego scenariusza systemu E-tekstylnego. Służąc tutaj jako przykład, taka strategia mikrosieci inspiruje przyszłe zminiaturyzowane zintegrowane systemy, które pobierają energię cieplną, chemiczną lub mechaniczną do wybierania uzupełniających, synergicznych, współmiernych i kompatybilnych komponentów do ich przeznaczenia. Można również dalej badać konfigurację połączenia harwesterów: zamiast równolegle działających kombajnów można rozważyć połączenia szeregowe między kombajnami tego samego typu lub różnych typów, aby zwiększyć napięcie wyjściowe i zminimalizować lub wyeliminować potrzebę regulacji napięcia. Przyszłe prace nad opracowaniem urządzeń do pozyskiwania energii, które opierają się na pozyskiwaniu z działań pasywnych, poszerzą możliwe scenariusze i poprawią praktyczność systemu mikrosieci. Rozszerzenie koncepcji mikrosieci z zastosowań na ciele do zastosowań w ciele oraz wykorzystanie obfitej ilości biopaliw i ruchów biomechanicznych w ciele może również umożliwić zintegrowany system zbierania do samodzielnego wszczepiania lub wykrywania pokarmowego, które nie są już ograniczone przez środowisko zewnętrzne lub potrzeba ćwiczeń. Po poprawieniu gęstości mocy różnych kombajnów można również rozważyć opcje magazynowania energii o dużej pojemności z proporcjonalną wartością znamionową do zasilania szerszego zakresu elektroniki dla zaawansowanych funkcji. Oczekuje się zatem, że koncepcja noszonych mikrosieci i zasady ich projektowania będą promować rozważania na poziomie systemu dotyczące integracji różnych nowych modułów o współczynniku kształtu w kierunku prawdziwie samozasilających się, autonomicznych i zrównoważonych systemów. a wykorzystanie dużej ilości biopaliwa i ruchów biomechanicznych w organizmie może również pozwolić na zintegrowany system zbierania do samodzielnego wszczepiania lub wykrywania pokarmowego, które nie są już ograniczone przez środowisko zewnętrzne lub potrzebę ćwiczeń. Po poprawieniu gęstości mocy różnych kombajnów można również rozważyć opcje magazynowania energii o dużej pojemności z proporcjonalną wartością znamionową do zasilania szerszego zakresu elektroniki dla zaawansowanych funkcji. Oczekuje się zatem, że koncepcja noszonych mikrosieci i zasady ich projektowania będą promować rozważania na poziomie systemu dotyczące integracji różnych nowych modułów o współczynniku kształtu w kierunku prawdziwie samozasilających się, autonomicznych i zrównoważonych systemów. a wykorzystanie dużej ilości biopaliwa i ruchów biomechanicznych w organizmie może również umożliwić zintegrowany system zbierania do samodzielnego wszczepiania lub wykrywania pokarmowego, które nie są już ograniczone przez środowisko zewnętrzne lub potrzebę ćwiczeń. Po poprawieniu gęstości mocy różnych kombajnów można również rozważyć opcje magazynowania energii o dużej pojemności z proporcjonalną wartością znamionową do zasilania szerszego zakresu elektroniki dla zaawansowanych funkcji. Oczekuje się zatem, że koncepcja noszonych mikrosieci i zasady ich projektowania będą promować rozważania na poziomie systemu dotyczące integracji różnych nowych modułów o współczynniku kształtu w kierunku prawdziwie samozasilających się, autonomicznych i zrównoważonych systemów.

Metody

Chemikalia i odczynniki

1,4-NQ, albumina surowicy bydlęcej (BSA), PPIX (≥95%), aldehyd glutarowy, L (+) – kwas mlekowy, kwas octowy, kwas siarkowy, chitozan (ze skorup krewetek,> 200 cP, 1% wag. w 1% kwasie octowym), płatki srebra (10 μm), proszek PTFE (proszek, sypki, wielkość cząstek 1 μm), toluen, metanol, etanol, PVA (masa cząsteczkowa = 89 000 – 98 000, 99+% hydrolizowany), poliwinyl butyral (PVB) (proszek,> 100 cps), polichlorek winylu (PVC), 4-metylo-2-pentanon (MIBK), 1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-dekafluoropentan (DFP), poli (4-styrenosulfonian sodu) (masa cząsteczkowa ~ 70 000), tetrakis [3,5-bis (trifluorometylo) fenylo] boran sodu (Na-TFPB), D-sorbitol, sebacynian dioktylu (DOS) i glicerol były zakupiony od Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Oksydazę L-mleczanową (LOx) (80 U mg- 1 ) zakupiono od Toyobo (Japonia). BOx (> 1,2 U mg −1) otrzymano z firmy Amano Enzyme. Wielościenne nanorurki węglowe funkcjonalizowane karboksylem (MWCNT-COOH, Ø = 10-20 nm, długość 10-30 µm, czystość> 95%) zakupiono od Cheap Tubes Inc. Wodną żywicę poliuretanową Dispercoll U-42 ​​zakupiono w Covestro (Niemcy). Tetrahydrofuran (THF) zakupiono w EMD Millipore. Etylocelulozę (EC) (Standard 4), poliuretan (PU) (Tecoflex SG-80A) otrzymano z Lubrizol Life Sciences. SEBS (G1654) uzyskano z firmy Kraton (TX, USA). Fluorowane spoiwo (T-70, terpolimer fluorku winylidenu, tetrafluoroetylenu i heksafluoropropylenu) otrzymano z Frechem (Jiangsu, Chiny). Sadzę Super-P zakupiono w MTI Corporation (Richmond, CA, USA). Proszek grafitowy zakupiono w Acros Organics (USA). Rozciągliwa tkanina Lycra Shiny Milliskin Nylon Spandex została zakupiona od Spandex World. Inc (Stany Zjednoczone). CapstoneTM fluorosurfaktant FS-65 jest zakupiony w firmie DuPont (USA). Grafitową pastę węglową zakupiono w firmie Ercon Inc. (Wareham, MA, USA). Tusz PEDOT: PSS do druku sitowego (C2100629D1) zakupiono od Sun Chemical Ltd. (Bath, Wielka Brytania). Wszystkie szablony metalowe zostały zaprojektowane za pośrednictwem Autodesk AutoCAD (CA, USA) i są zamawiane w Metal Etch Services (San Marcos, CA, USA). Wzmacniacz napięcia (Texas Instruments bq25505) i mikrokontroler (Atmel AtTiny441) zakupiono od Digi-Key Electronics (MN, USA). Zegarek na rękę (Casio, A178WA-1A) został zakupiony w Amazon.com (WA, USA).

Formulacja elastycznego kompozytu polimerowego

Żywicę SEBS przygotowano przez rozpuszczenie 4 g polimeru SEBS w 10 ml toluenu. Srebrny tusz został wykonany metodą podobną do naszego poprzedniego protokołu 48 , 55. W skrócie, elastyczny srebrny atrament kompozytowy został sformułowany poprzez mieszanie płatków srebra z żywicą SEBS (stosunek wagowy = 2: 1) za pomocą podwójnego asymetrycznego mieszadła odśrodkowego (Flacktek Speedmixer, DAC 150,1 KV-K) przez 5 minut z prędkością 1800 obrotów na minuta (RPM). Elastyczny kompozytowy atrament węglowy jest formułowany przez mieszanie proszku super-P, proszku grafitowego, żywicy SEBS i toluenu (stosunek wagowy = 1: 6: 8,4: 2,1) w mieszalniku przez 5 minut przy 2150 obr./min. Tusz PTFE został sformułowany przez zmieszanie proszku PTFE, T-70, DFP i MIBK (stosunek wagowy = 9: 6: 2: 5) w mieszalniku przez 10 minut przy 1800 obr./min. Tusz EC-PU został skomponowany przez zmieszanie proszku EC, PU i THF (stosunek wagowy = 1: 1: 14) w mieszalniku przez 5 minut przy 2000 RPM. Tusz CNT-PEDOT: PSS do modułów SC został opracowany przez zmieszanie MWCNT-COOH, pasty PEDOT: PSS i fluorosurfaktantu (stosunek wagowy = 5: 95: 0. 5) w mieszalniku przez 5 min przy 2500 obr / min. Żel elektrolitowy z kwasem PVA został opracowany zgodnie z naszą poprzednią pracą przez rozpuszczenie 1 g PVA w 10 ml wody, dodanie 10 g 1,8 M kwasu siarkowego i ogrzewanie z intensywnym mieszaniem za pomocą mieszadła magnetycznego na płycie grzejnej w 100 ° C aż 50% wody wyparuje. Skład atramentu do elektrod i elektrolitu stosowanych w ECD omówiono szczegółowo w uwadze dodatkowej 5 . 2 .

Produkcja elastycznych modułów TEG

Całe warstwy elastycznych modułów TEG zostały głównie wykonane w metalowym szablonie o grubości 100 μm do drukowania. Stojan modułu TEG jest wytwarzany przez wylanie najpierw warstwy wykładziny SEBS z żywicą SEBS na podłoże tekstylne za pomocą regulowanego rakla o grubości 200 μm i utwardzanie w piecu w 65 ° C przez 10 minut. naprzemiennie srebrną warstwę kolektora prądu wydrukowano za pomocą elastycznego srebrnego atramentu kompozytowego i zaprojektowanego metalowego szablonu i utwardzano w 60 ° C przez 20 min. Następnie za pomocą rakla o grubości 20 min nadrukowano dodatnio naładowaną warstwę na bazie atramentu EC-PU. 50 μm i utwardzany w 60 ° C przez 10 min W celu przeniesienia TEG, warstwa EC-PU została najpierw wydrukowana na powierzchni tkaniny za pomocą rakla o grubości 100 μm i utwardzona w 60 ° C przez 10 minut jako podszewka . A potem, naprzemiennie,

Produkcja i montaż modułów BFC

Granulki CNT dla elektrody przygotowano przez formułowanie pasty, która została uformowana za pomocą grubego szablonu z PTFE. Formulacja została zmodyfikowana na podstawie wczesnej publikacji 11 . Pastę anodową przygotowano przez zmieszanie 7 mg MWCNT-COOH, 2 mg NQ, 11 µl GA (1% w etanolu) i 56 mg roztworu chitozanu (3% wag. W 0,1 M kwasie octowym) z moździerzem i tłuczkiem. Pastę katodową przygotowano przez zmieszanie 8 mg MWCNT-COOH, 11 µl glutaraldehydu (1% w wodzie) i 56 mg roztworu chitozanu (3% wag. W 0,1 M kwasie octowym) z moździerzem i tłuczkiem. Pastę następnie uformowano przy użyciu szablonu z PTFE i wysuszono w piecu w 80 ° C przez 20 min, aby uformować peletki.

Projekt zestawu kolektorów prądu BFC został wykonany na metalowym szablonie o grubości 100 μm do drukowania. Aby wykonać kolektor prądu, najpierw na tekstylne podłoże wylano warstwę żywicy SEBS za pomocą regulowanego rakla o grubości 200 μm i utwardzono w piecu w temperaturze 80 ° C przez 10 min. Następnie połączenia są drukowane przy użyciu elastycznego srebra atrament kompozytowy i utwardzany w 80 ° C przez 10 min Elastyczny kompozytowy atrament węglowy został następnie wydrukowany jako katoda i kolektory prądu anodowego i utwardzony w 80 ° C przez 10 min. warstwy handlowej pasty węglowej użyć metalowego szablonu, odpowiednio montując pelety anody i katody i utwardzając pastę w 60 ° C przez 20 minut, aby zestalić przyczepność między granulkami i kolektorami prądu,

Anodę sfunkcjonalizowano przez odlewanie 5 μl LOx (20 mg mL −1 w 10 mg mL −1 BSA), 5 μL roztworu GA (1% w etanolu) i 5 μL chitozanu (1% wag. W 0,1 M kwas octowy) na każdej pastylce. Funkcjonalizacja katody jest podobna do anody przez odlewanie kroplowe 5 μl PPIX (40 mM w 9: 1 obj./obj. Etanolu / acetonu), 5 μl BOx (40 mg ml- 1 w 10 mg ml- 1BSA) i 2,5 μl Nafionu (1% wag. W etanolu) na każdej peletce. Każdy etap odlewania kropelkowego był oddzielony 5 minutami, aby umożliwić odparowanie rozpuszczalników, z chitozanem i nafionem użytym do zamknięcia, odpowiednio, LOx i BOx. Na koniec zmodyfikowany moduł BFC pozostawiono na noc w lodówce w temperaturze 4 ° C przed użyciem. Więcej szczegółów na temat wytwarzania modułów BFC omówiono szczegółowo w uwadze dodatkowej  2 .

Wytwarzanie hydrożelu PVA do testów na ciele BFC zostało zaadaptowane z poprzedniej pracy 49 . W skrócie, 20% wag. Roztwór PVA przygotowano przez rozpuszczenie PVA w wodzie w łaźni wodnej o temperaturze 80 ° C, a 10% wag. Roztwór KOH przygotowano i dodano do roztworu PVA w stosunku wagowym 1: 1, uzyskując prekursor hydrożelu. Prekursor pozostawiono w eksykatorze pod próżnią na 1 dzień do usieciowania, a następnie wyjęto, a następnie przemyto wodą dejonizowaną w celu usunięcia nadmiaru KOH. Przemyty hydrożel namoczono w 0,5 M (pH 7,4) PBS do późniejszego użycia. Zmierzona grubość utworzonego hydrożelu wynosiła ~ 0,5 mm i pocięto go na kawałki o wymiarach 2 cm na 4 cm do wykorzystania na każdy moduł BFC.

Produkcja elastycznych modułów SC

Projekt modułów SC został wykonany na metalowym szablonie o grubości 150 μm do drukowania. Najpierw za pomocą regulowanego rakla o grubości 200 μm wylano warstwę żywicy SEBS na podłoże tekstylne i utwardzono w piecu w temperaturze 80 ° C przez 10 min.Tusz CNT-PEDOT: PSS został nadrukowany na rozciągliwym materiale elektrody i suszy się w 60 ° C przez 10 min i 80 ° C przez 10 min. Następnie na elektrody nadrukowano elastyczny srebrny atrament kompozytowy jako kolektory prądu w celu połączenia elektrod szeregowo i utwardzono w 80 ° C przez 10 min. Kwaśny żel nadrukowano na elektrody jako elektrolit i pozostawiono do wyschnięcia w dobrze wentylowanym miejscu w temperaturze pokojowej przez noc. Warstwa żywicy SEBS, która po wyschnięciu tworzy gęstą hydrofobową, wodoodporną warstwę,

Wykonanie elastycznych czujników Na + i wyświetlacza elektrochromowego

Szczegóły dotyczące produkcji i charakterystyki elastycznego czujnika sodu i ECD są omówione w dodatkowych uwagach  5 . 1 – 5.2 i uzupełniający ryc.  22 – 26 .

Projektowanie i wytwarzanie obwodów regulacji energii i czujników-wyświetlaczy

Obwód ładowarki o bardzo niskim poborze mocy został opracowany w oparciu o układ bq25505 (Texas Instruments). Obwód został skonfigurowany do rozładowywania podłączonego BFC przy 0,5 V i ładowania podłączonych modułów SC do 5,1 V. Obwód czujnika i wyświetlacza został opracowany w oparciu o energooszczędny mikrokontroler AtTiny441 (technologia Microchip). Wbudowany 10-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy zapewnia możliwość odczytu potencjału. Do sterowania ECD skonfigurowano dziesięć cyfrowych wejść / wyjść. Schematy projektowe i połączenia obwodów zostały omówione w uwagach uzupełniających  4.3 i 5.4 oraz zilustrowane na rysunkach uzupełniających  20 , 21 , 28 i 31 .

Charakterystyka zintegrowanych urządzeń

Oscyloskop MSO-X-3014A (Agilent Technologies) i zaprojektowany obwód OP-Amp zasilany z zasilacza (-10 V ~ 10 V) zostały użyte do pomiaru napięcia wyjściowego i prądów modułów TEG przy różnych częstotliwościach od 0,88 ~ 3 Hz. Do scharakteryzowania średniej mocy i prądu TEG zastosowano komercyjne kondensatory elektrolityczne (1 μF ~ 1 mF). Potencjostat / galwanostat Autolab PGSTAT204 i potencjostat Interface 1010E (Gamry Instruments, PA, USA) zostały użyte do analizy parametrów elektrochemicznych BFC, SC, czujnika sodu i modułów ECD.

Test na ciele został przeprowadzony poprzez wydrukowanie / przyklejenie poszczególnych modułów na poliestrowej koszuli z długimi rękawami (Starter Dri-Star) i połączenie drukowanymi, rozciągliwymi srebrnymi ścieżkami i emaliowanym drutem miedzianym (36 AWG). Nadrukowane ślady i punkty styku emaliowanych drutów zostały dodatkowo zaizolowane SEBS, aby uniknąć zwarcia spowodowanego potem. Ochotnicy będący ludźmi zostali poinformowani o szczegółach eksperymentu na ciele i poproszeni o podpisanie zgody. Cały proces był ściśle zgodny z wytycznymi Institutional Review Boards (IRB) i został zatwierdzony przez Human Research Protections Program na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Więcej informacji na temat konfiguracji testów na ciele można znaleźć w uwadze dodatkowej  4.3 i 5.4 .

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7

https://www.ul.com/sites/g/files/qbfpbp251/files/2019-01/WP_TestingBatterySystemsDesignedForWearableTechnologies_15.pdf

253
Źródło artykułu
Translate »