碳納米管紗線能量收集器手套，讓手指抓握産生電

達拉斯德州大學 Alan G. MacDiarmid 納米技術研究所的研究員王忠博士展示了他在手套中縫制了twistron 纖維，這是一種由碳納米管制成的能量收集紗線，在反複拉伸時會産生電能。研究人員改進了制造紗線的工藝，使纖維比以前的版本更高效，每個拉伸周期産生更多的電力。

德克薩斯大學達拉斯分校的一組研究人員和他們的同事對他們發明的能量收集紗線進行了重大改進，稱為撚線，這種紗線由碳納米管制成，在反複拉伸時會産生電力。

在一項原理驗證實驗中，該文章的主要作者、德克薩斯大學達拉斯分校 Alan G. MacDiarmid 納米技術研究所的研究員王忠博士将新的撚線紗縫入手套中。當戴着手套的人在美國手語中形成不同的字母和短語時，手勢會産生電力。

“根據輸出電壓曲線，我們可以輕松區分不同字母和短語的手指運動，我們可以将這款手套用作自供電手語翻譯器，”王說，他在 UTD 的博士研究專注于碳納米管紗線和能量收集器。他因這項工作獲得了2022年自然科學與數學學院最佳論文獎。

在納米技術研究所所長 Ray Baughman 博士和 Robert A. Welch 化學傑出主席的帶領下，該研究小組于 2017 年在《科學》雜志上首次報道了他們的twistron 技術。從那時起，該團隊改進了他們使用的工藝，以制造紗線，與以前的版本相比，它産生的纖維效率更高，每個拉伸周期産生的電能更多。

“能源收集是一個至關重要的領域，尤其是在我們尋找燃燒化石燃料的替代品時。我們希望從所有可用資源中收集能源，”最新文章的通訊作者鮑曼說。

他說， twistrons 的一些潛在應用包括從海浪中收集能量為傳感器供電或最終幫助為城市供電，以及利用身體運動為可穿戴設備供電。

“如果你有一個人形機器人，你想知道哪些肌肉已經收縮，以及它們是否正常工作，你可以在我們的twistron收割機中加入非常細的纖維，這樣當肌肉改變尺寸時，它會拉伸twistron，從而産生電力”鮑曼說。“可以測量那種電流，它可以告訴你那塊肌肉改變了多少尺寸。”

當戴着手套的人在美國手語中形成不同的字母和短語時，手勢會産生獨特的電信号。

Twistron 由碳納米管構成，碳納米管是直徑比人類頭發小 10,000 倍的碳中空圓柱體。納米管被撚紡成高強度、輕質的紗線。為了使紗線具有高彈性，研究人員引入了如此多的撚度，使紗線像過度扭曲的橡皮筋一樣盤繞。

将戴着手套的手握在相機下，顯示器顯示放大的圖像，顯​示他縫入手套中的深色扭曲纖維。

“這些雙絞線的基本機制是，當你拉伸它們時，單個碳納米管束相互接觸，增加了材料中的電子密度，從而增加了電壓輸出，”王說。“基于這種理解，我們發現優化納米管排列——它們相互作用的表面積——可以顯着增加電容變化并顯着增加電壓輸出。”

“我們首先從垂直排列的納米管陣列中拉出一片碳納米管，稱為森林，”王說。“在這些新實驗中，我們增加了一個步驟：我們将石墨烯沉積在該片材上，然後将其全部絞合并盤繞成紗線。這極大地改善了電容變化和我們可以從産生的雙絞線中獲得的電量。”

王說，改進的退火工藝也有助于提高雙絞線的産量。

将新的螺旋撚紗每秒拉伸 30 次（30 赫茲），每公斤産生 3.19 千瓦的峰值電力，比其他研究人員報告的頻率在 0.1 赫茲和 600 赫茲之間的替代機械能收集器的最高值增加了 12 倍。

Baughman 說，最新版本的twistron 獲得的最大能量轉換效率是以前的twistron 的7.2 倍。研究人員已經申請了這項技術的專利。

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