三校联合开发出耐潮湿、可发电的智能鞋垫

在人体的众多能量来源中，脚步动作具有最大的可被收集的能量。据相关文献报道，此值可高达67 W，经工程优化后，脚步所产生的生物机械能可以转化为其他形式的能量为其他人体智能设备供能，这些能量转化原理包括压电、静电感应、电磁感应以及摩擦纳米发电（TENG）等。

基于此，重庆大学教授杨进、天津大学讲师葛磊姣和美国加州大学洛杉矶分校教授陈俊合作，开发出了一种不怕潮湿环境、低成本、具有优异电荷收集能力的智能鞋垫。该智能鞋垫的输出功率高达580μW，且不受潮湿环境的影响，在含有汗液和地面积水的环境中可点亮260 盏LED 灯，仅需900s 即可充电88μF的电容器至2.5 V。相关研究成果发表在《ACS nano》杂志上。

根据人体力学，该鞋垫分别在前脚和后脚处设计了不同的电荷收集装置。前脚承受人体61%重量，且着力面积大，因此采用平面构造；后脚着力面积小且载荷也小，所以采用管状结构增加输出。在此选用PET（聚酯）表面负载铜片制备第一摩擦层，选用硅橡胶为第二摩擦层，二层之间采用海绵做间隔；在管状结构中，硅橡胶环的内径和外径分别为8mm 和10mm。

通过改变摩擦层的粗糙度、管状结构的尺寸、脚步动作、模拟载荷等多个因素，作者系统研究了该智能鞋垫的输出能力。研究发现，表面粗糙度越高、管状尺寸越大、载荷越大，则输出电压越大。当在外电路中连接电阻为100 MΩ 和500 MΩ 时，前脚和后脚处的输出功率分别达到最大值：138μW 和580μW。整只鞋垫在水中浸泡后，仍然具有与未沾水时同样的输出，实现了在极端环境使用的目的。综上所述，该智能鞋垫实现了将人体生物机械能转化为电能的目的，有望应用于人体传感网络和自驱动系统领域。