日本开发出半永久存储静电的液体材料，首次实现能伸缩和折叠的振动发电元件

10月15日消息，日本物质材料研究机构（NIMS）与产业技术综合研究所（产综研）组成的研究小组，开发出了能半永久存储静电的液状驻极体材料，通过与柔软的电极组合使用，全球首次实现了能伸缩和折叠的振动发电元件。该元件能将心率和脉搏等非常小的振动转换成电信号，而且可以伸缩、折叠等，变换不同的形状，因此有望应用于佩戴在手腕或胸部的无电池脉搏传感器及心率传感器等医疗用途。

图1：新开发的液体驻极体材料（左）及可以伸缩和弯曲的发电振动元件（中、右）

能够半永久储存电荷的驻极体材料可以通过改变与电极之间的距离产生电压，因此可应用于将振动和压力刺激转换成电信号的振动发电（压电）元件及传感器。不过，以往的驻极体材料使用固体或薄膜状材料，无法变形为复杂的形状，柔韧性也比较差，因此，要想用于脉搏传感器和心率传感器等佩戴在身体上的用途，就要开发能伸缩和折叠，可变形为不同形状的振动发电元件。

图2：a）液体卟啉的分子结构和模型结构，b）将带电的液体卟啉密封到ITO基板间制作的驻极体元件。（上）压力及振动传感器，（下）振荡器及致动器。

该研究小组利用具备柔韧性和绝缘性的结构（支链烷基链）包围并保护有机化合物“卟啉”，开发出了在常温下为液态而且能稳定存储电荷的材料。此外还开发出了可以伸缩和折叠的振动发电元件，具体方法是，向该材料施加高电压使其带静电后，将具备伸缩性的布料浸入其中，并用镀银纤维在聚氨酯上布线，然后用形成的柔性电极夹住含浸液体材料的布料。用手指按压元件表面，可以获得±100～200mV的电压输出，至少能稳定驱动1个半月以上。

图3：利用含浸液体驻极体（带电、液体卟啉）的伸缩性布料和电极形成布线图案的聚氨酯基材构筑的可拉伸液体驻极体元件的构成，以及振动（加压）发电的情形。

今后的计划是，提高液体驻极体材料的静电保持能力，不断改良在元件上的加工技术，将其应用于医疗现场。另外还打算结合使用电压-电流转换系统和电容器等，制成振动发电器件，用于IoT器件用电源。

相关研究论文已于2019年9月30日发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊的网络版上。

论文题目：Soft chromophore featured liquid porphyrins and their utilization toward liquid electret applications