A novel spacer-free all-textile triboelectric nanogenerator for wireless human motion sensing and energy harvesting

Given the overwhelming global warming, the need of exploring sustainable sources of energy is currently urgent. This situation has led to the development of mechanical energy harvesters that can efficiently collect energy from human movement. Another defining characteristic of our historical era is the growing development of wearable sensors. These devices are becoming more energy-consuming, leading to frequent battery recharging or reliance on bulky batteries. To balance the need for increased functionality with the practicality of wearable technology, mechanical energy harvesting technology can be incorporated into wearable devices. This involves converting the mechanical energy generated by a user's movements into electrical energy to power the system. At the same time, there is the need for new technologies for sensing human movement. In order to address the limitations of sensors made of rigid electronic components, research is moving in the direction of textile wearable sensors integrated into clothing. Triboelectric nanogenerators (TENGs) in the textile form integrated into clothing are a promising technology for this purpose, as they can act as sensors and biomechanical energy harvesters, providing an electrical signal directly correlated to the stimulus from the human body. According to the needs presented, this thesis project led to the development of a novel spacer-free all-textile TENG integrated into clothing made of electrospun fibre of PVC and Nylon 6. The reaction of the TENG to different impulse was evaluated and it was analysed and validated as a potential pressure sensor in the context of human movement and as biomechanical energy harvester. Thanks to these features and the development of a wireless communication system to wirelessly transmit the TENG's output, it was possible to create a easy-to-use technology in a subject's everyday life. This technology has been also tested as a potential method in the biomedical field, for detecting and monitoring motor characteristics in neurological pathologies. Parkinson's disease has been taken as a paradigmatic example of neurological pathology with disturbances in the patient's movement (in particular, freezing of gait, festination and risk of fall). Detection of physical activities information for health related monitoring (such as step counting and body joints motion) has been tested as well. Notwithstanding the very preliminary nature of the analysis, the overall system seems to be promising for the use in the mentioned cases.

La necessità di esplorare nuove fonti di energia sostenibile a causa del surriscaldamento globale, ha portato allo sviluppo di accumulatori di energia meccanica in grado di ottenere energia dal movimento umano. L'attuale periodo storico è inoltre caratterizzato dal crescente sviluppo di sensori indossabili. Questi dispositivi consumano sempre più energia, con la conseguente necessità di dover ricaricare frequentemente le batterie o di dover ricorrere a batterie ingombranti. Per bilanciare l'esigenza di una maggiore funzionalità con la praticità dei dispositivi indossabili, è possibile incorporarvi la tecnologia di raccolta dell'energia meccanica per convertire l'energia generata dai movimenti dell'utente in energia elettrica per alimentare il sistema. Allo stesso tempo, vi è la necessità di nuove tecnologie per il rilevamento del movimento umano. La ricerca si sta muovendo nella direzione di sensori tessili indossabili integrati negli indumenti per ovviare alle limitazioni dei sensori costituiti da componenti elettronici rigidi. I nanogeneratori triboelettrici (TENG) in forma tessile integrati negli indumenti rappresentano una tecnologia promettente a questo scopo, essi agiscono come sensori e raccoglitori di energia biomeccanica fornendo come output un segnale elettrico direttamente correlato allo stimolo proveniente dal corpo umano. In base alle esigenze presentate, in questo progetto è stato sviluppato un nuovo TENG interamente tessile, privo di spaziatore, integrato nell'abbigliamento e realizzato con fibre elettrofilate di PVC e Nylon 6. E' stata valutata la reazione del TENG in seguito a diversi impulsi ed è stata analizzata e validata la possibilità di impiegare questo TENG come potenziale sensore di pressione e velocità nel contesto del movimento umano e come accumulatore di energia biomeccanica. Grazie a queste caratteristiche e allo sviluppo di un sistema di comunicazione wireless per trasmettere l'output del TENG, è stato possibile creare una tecnologia facile da usare nella vita quotidiana. Questa tecnologia è stata testata, in campo biomedico, come potenziale metodo per rilevare le caratteristiche motorie nelle patologie neurologiche. La malattia di Parkinson è stata presa come esempio paradigmatico di patologia neurologica con disturbi del movimento (in particolare, blocco dell'andatura, festinazione e rischio di caduta). È stata anche testata la possibilità di rilevare informazioni sull' attività fisica per il monitoraggio della salute, come il conteggio dei passi e il movimento delle articolazioni. Nonostante la natura preliminare dell'analisi, il sistema nel suo complesso sembra essere promettente per l'utilizzo nei casi citati.