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液态金属软磁弹性复合材料用于可拉伸和防水的磁弹性人体发电机

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-08 浏览次数:12

磁弹性效应——材料在机械应力下的磁性变化——通常在刚性合金中观察到,其机械模量与人体组织的机械模量显着不同,从而限制了它们在生物电子学应用中的应用。结合在作为磁感应层的聚二甲基硅氧烷上图案化的液态金属线圈,软磁弹性复合材料用于可拉伸和防水的磁弹性发电机,可贴合人体皮肤。此类设备可用作可穿戴或植入式发电机和生物医学传感器,为以人体为中心的应用开辟了替代途径。

加州大学洛杉矶分校 Samueli 工程学院的一个生物工程师团队发明了一种新型柔软灵活的自供电生物电子设备。该技术将人体运动(从弯曲肘部到手腕脉搏等细微运动)转化为电能,可用于为可穿戴和植入式诊断传感器供电。

研究人员发现,磁致弹性效应是指当微小磁铁不断被机械压力推到一起和拉开时材料磁化程度的变化,这种效应可以存在于一个柔软而灵活的系统中——而不仅仅是一个刚性系统。为了证明他们的概念,该团队使用分散在纸一样薄的硅胶基质中的微型磁铁来产生磁场,该磁场随着基质的起伏而改变强度。随着磁场强度的变化,就会产生电力。

《自然材料》今天发表了一项研究报告,详细介绍了这一发现、突破和示范背后的理论模型。

“我们的发现为以人体为中心、可以连接到物联网的实用能源、传感和治疗技术开辟了一条新途径,”研究负责人、加州大学洛杉矶分校 Samueli 生物工程助理教授 Jun Chen 说。“这项技术的独特之处在于,

当设备贴在人体皮肤上时,它可以让人们舒适地伸展和移动,而且由于它依赖于磁力而不是电,因此湿度和我们自己的汗水不会影响其有效性。”

陈和他的团队建造了一个小型、灵活的磁致弹性发电机,由铂催化的有机硅聚合物基质和钕-铁-硼纳米磁铁制成。然后,他们用柔软、有弹性的硅胶带将其固定在受试者的肘部。他们观察到的磁弹性效应是具有刚性金属合金的类似尺寸装置的四倍。结果,该设备产生每平方厘米 4.27 毫安的电流,比次优的同类技术好 10,000 倍。

事实上,柔性磁弹性发生器非常灵敏,可以将人体脉搏波转换为电信号,并充当自供电、防水的心率监测器。产生的电力还可用于为其他可穿戴设备提供可持续的动力,例如汗液传感器或温度计。

人们一直在努力制造可从人体运动中收集能量的可穿戴发电机,为传感器和其他设备供电,但缺乏实用性阻碍了这种进展。例如,具有磁弹性效应的刚性金属合金不能充分弯曲以压缩皮肤并为可行的应用产生有意义的功率水平。

其他依赖静电的设备往往不会产生足够的能量。它们的性能也会在潮湿条件下或皮肤上有汗水时受到影响。一些人试图封装此类设备以防止水进入,但这会降低其有效性。然而,加州大学洛杉矶分校团队的新型可穿戴磁弹性发电机即使在人工汗液中浸泡一周后仍能很好地进行测试。

加州大学洛杉矶分校技术开发集团已经申请了这项技术的专利。

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