什麼樣的微型發電機能穿戴在身上？國立臺灣師範大學機電工程學系教授楊啟榮率領研究團隊，在軟性電子和摩擦起電技術的結合上取得重大突破，成功開發出一種自供電的穿戴式感測器。這項研究成果，不僅為可穿戴電子設備的自供電提供新的研究思路，也為科技應用帶來新的方向和可能性。

　　楊啟榮主要研究領域是微機電系統、奈米科技、新興能源元件、奈米碳材合成技術，擁有多項國內外發明專利。他的實驗室，起初主要從事太陽能電池和燃料電池的研究，但摩擦起電技術的發電特性引起他們的興趣，從最初使用液態金屬電極，到後來的塑性金屬電極，團隊一直在尋找更具特色、效能、安全性的材料和結構。

　　摩擦起電器（Triboelectric Generator, TEG）是一種能將機械能轉換為電能的裝置，適合應用於穿戴式設備中，實現自供電功能。為了因應「高可彎折性」的需求，實現摩擦起電元件的可撓性，團隊選擇了液態金屬與釉粉結合的特殊材料，不僅讓元件在保持高導電性，也同時具備可撓性和耐久性。隨著研究的深入與穿戴式的要求，他們開始將高分子材料改以布料代替，並進一步提升其摩擦性能和穩定性，成功製作出製程簡單、低成本、高可撓性、高穩定性的摩擦起電元件。

　　經過實驗測試，這種TEG使用經SF6電漿表面改質處理的GO@PDMS薄膜後，能夠產生開路電壓140.37V和短路電流2.57μA。在負載電阻為50MΩ時，最大功率達130.5μW。這一數據，顯示了其在能量轉換效率上的顯著提升。

　　由於PDMS材料具備偏負電性的摩擦電特性，具備方便調製及易於改質的特點，研究團隊進一步將PDMS製作成多孔結構，將GO粉末與純水混合成懸浮液，再與PDMS漿料混合，最終得到GO@PDMS多孔摩擦層。這種摩擦層與100% Polyester電鍍鎳、銅金屬的導電布料結合，製成了具有高可撓性和柔軟性的布基摩擦起電元件，適合與穿戴式電子裝置結合使用。

　　實驗過程中，研究團隊將TEG元件整合於衣物與身體部位，不僅有效獲取動作訊息，還成功點亮180顆串聯的綠色LED燈，展示了其作為微型發電機的潛力；甚至成功將壓力訊號透過藍牙無線模組傳輸至電腦，證明其在無線傳輸壓力感測領域的應用潛力。楊啟榮說，這種摩擦起電元件，也具有耐洗性和耐久性，若用於衣物上，可捕捉人體動作訊息，作為感測器應用。

　　楊啟榮說，除了應用於發電，這種元件還可作為壓力感測器，監測人體動作和生理信號。例如裝置於鞋子內即可隨時發光，裝在衣物上可即時監控心跳，若遇到心跳停止的狀況，就能馬上通知救護站或送醫，把握黃金搶救時間。

　　這項研究也曾與電機系合作，將感測器裝在機械手臂上，當有碰觸訊號進來，機械手臂可以即時斷電，如同幫機器手臂穿上一層「電子皮膚」，有利於爭取逃脫時間。甚至不僅可在日常生活中發電，還能在救生衣等特殊環境中發揮作用，確保安全和持續供電。

　　談及未來研究與應用前景，楊啟榮表示，團隊目前正致力於將電容器與摩擦起電器結合，要讓這個摩擦起電器能夠儲存電能，這項創新將進一步提升布料摩擦起電元件的應用潛力，尤其在物聯網世代，每個地方都需要裝感測器，但若每個地方都要換電池則會很麻煩，因此若讓感測器能靠摩擦起電器吸收機械能而轉化成電能，這項發明將可在物聯網世代發揮更大的應用功效。(採訪撰文 | 由本校公共事務中心提供)。  

 
圖1：以TEG點亮LED燈泡

 
圖2：以TEG作無線傳輸壓力感測

  
圖3：以TEG作為機器手臂電子皮膚應用

原文出處：
Yang, C. R., Ko, C. T., Chang, S. F., & Huang, M. J. (2022). Study on fabric-based triboelectric nanogenerator using graphene oxide/porous PDMS as a compound friction layer. Nano Energy, 92, Article 106791. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106791