伸縮性全ゴム糸状摩擦帯電ナノ発電機：自己発電ウェアラブルエネルギー収集と生体力学トラッキング

要旨

伸縮性スマートエレクトロニクスは、人体動作エネルギー収集と自己発電生体力学モニタリング分野を急速に発展させています。ここでは、銀コートガラスマイクロスフィアとシリコーンゴムを組み合わせた伸縮性導電糸（SCT）と、シリコーンゴムコートSCT（SSCT）を相補摩擦帯電パートナーとした、新規全ゴムベース糸状摩擦帯電ナノ発電機（TENG）を報告します。結果として得られる伸縮性全ゴム糸状TENG（SATT）は、100%ひずみで開放電圧3.82 V、短絡電流65.8 nAを発生し、明確に異なる指動作状態を識別可能です。SCTとSSCTユニットで平織り自己発電スマートテキスタイル（SPST）に織り込むと、デバイスは2モード動作：伸縮-解放で8.1 Vと0.42 µA、綿との接触-分離で150 Vと2.45 µAを発生。SPSTは市販電子機器駆動と関節動作からの生体力学エネルギー収集が可能で、伸縮性ウェアラブル電源と自己センシングファブリックの実用的プラットフォームを提供します。

はじめに

快適、柔軟、通気性のあるウェアラブルエレクトロニクスは、生体医療モニタリング、ロボティクス、ヒューマンコンピュータインターフェース、軍事、コンシューマーデバイスで不可欠になりつつあります。しかし従来の電池とスーパーキャパシタは、剛性、寿命限界、重量増、環境影響でこれらシステム要求を満たし困難です。持続可能な代替は、人体動作で生成される豊富な機械エネルギー収集です。摩擦帯電ナノ発電機（TENG）は、摩擦帯電と静電誘導で機械変形を電気エネルギー変換、軽量、低コスト、多用途で自己発電ウェアラブルに最適です。

糸状TENGは関節動作、触覚センシング、脈拍検出など生理信号モニタリングに有望ですが、複雑な肢体動作に必須の伸縮性実現が課題でした。既存スマートテキスタイルはサーペンタイン金属箔、プリストレイン基板、金属ナノワイヤー依存で、大量生産と耐久性を制限。

これら限界克服のため、銀コートガラスマイクロスフィア分散シリコーンゴム（SCT）とシリコーンゴムコート版（SSCT）を組み合わせた二重らせん全ゴムSATTを導入。この設計は>100%伸縮性、高電気出力、機械的堅牢性を達成し、単一柔軟糸でエネルギー収集と自己発電センシング両立を可能にします。

実験方法

SCT作製

銀コートガラスマイクロスフィア（深セン夏特科技、中国）と固体シリコーンゴム（TN-920）を重量比3:1で1.5時間混合。混合物を押出し、ネジ押出機で110℃加硫、直径1 mm導電糸作製。5本糸を撚り合わせ、端部をシリコーンゴム混合物（Ecoflex 00-30と硬化剤1:1）でコート、真空（20分）と80℃（2時間）で硬化。得られたSCTは優れた伸縮性と導電性示す。

SSCT作製

SCTを直径4 mm型に配置、シリコーンゴム混合物（Ecoflex 00-30+硬化剤）注入。脱気加熱後脱型、完全被覆摩擦帯電パートナーSSCT得る。

測定系

走査型電子顕微鏡（SEM）はZEISS EVO18（カールツァイスイエナ、ドイツ）使用。電気出力はKEITHLEY 2611B電位計で記録。

結果と考察

SATTは2本の二重らせん全ゴム糸を統合：均一分散銀コートガラスマイクロスフィア含有SCTと、シリコーンゴムコートSCTであるSSCT。作製詳細図1a。高荷重シリコーンマトリクスが優れた機械的適合性確保、埋め込みマイクロスフィアが3次元導電ネットワーク形成、SCTに高導電性と伸縮性付与。SEM画像（図1b-f）で導電コアとシリコーンコート間隙間なし、全体構造（図1g）約100%ひずみまで伸展可能、従来糸状TENGを大きく超越。

電気的にはSATTは並列コンデンサ直列と振る舞う。伸展時、シリコーン表面と導電コア分離で電位差生じ、電子が外部回路流動。ひずみ解放で流れ反転、電荷移動フルサイクル完了。

COMSOL有限要素解析（図2b）でメカニズム検証：電位差が印加引張力に比例増大。SCT抵抗は50%ひずみまで安定、高ひずみで緩やか上昇；5本撚り合わせ導電糸でこの効果緩和（図2c-d）。引張耐久試験でSCTは100%ひずみ10,000サイクルで性能維持（図2e）。電気出力は導電糸本数に比例：5 cm SATTで100%ひずみ時開放電圧3.82 V、短絡電流65.8 nA（図2f-g）。1 Hz応答・回復時間各48 ms、220 ms、自己発電モーションセンサ適合性示唆。

テキスタイル化のため、SCTとSSCTユニットで平織り自己発電スマートテキスタイル（SPST、5×7 cm²）作製（図3a-b）。100%ひずみ伸展で8.1 V、0.42 µA発生（図3d-e）。綿との接触-分離で100 N時最大150 V、2.45 µA（図4c-d）。電力出力120 MΩ負荷で163.3 µWピーク（図4e）。10,000サイクル安定性試験で電圧劣化なし（図S2）。コンデンサ充電実験で0.47 μFコンデンサ150秒で14 V到達、SPSTでLEDと市販腕時計駆動可能実証（図4f）。

機能試験でSATT自己発電アクティブセンサ能力確認。指装着で曲げ状態に対応した明確電圧ピーク生成（図5a）。SPSTを肘・膝関節装着で屈伸動作時105-116.9 V、0.73-0.89 µA出力、リハビリモニタリングと活動トラッキング可能性示唆（図5b-c）。

結論

100%ひずみ達成、機械エネルギー電力変換、指・関節動作自己発電センサとして機能する全ゴムベース二重らせん糸状TENGを開発。平織りテキスタイル化で伸展時8.1 V/0.42 µA、接触-分離時150 V/2.45 µA、最大電力163.3 µW達成。これら堅牢出力でSPSTは市販電子機器駆動、生体力学エネルギー収集、将来医療・スマートトラッキング応用支援可能。