研究背景

如今，在日常生活中，我們的健康面臨著許多危險(xiǎn)和威脅，越來(lái)越多的人受到亞健康或“亞健康“問(wèn)題的困擾。隨著人們保健意識(shí)的提高，各種醫(yī)療設(shè)備和保健器材也越來(lái)越多地進(jìn)入市場(chǎng)。此外，對(duì)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的需求也在增長(zhǎng)。可穿戴醫(yī)療設(shè)備可以監(jiān)測(cè)人體的生理和行為信號(hào)，并提供有效的輔助治療。此外，它們還可以防止周?chē)h(huán)境的傷害。因此，可穿戴醫(yī)療設(shè)備近年來(lái)發(fā)展迅速，引起人們的關(guān)注。市場(chǎng)上廣受上班族追捧的眼罩可以在一定程度上緩解眼部疲勞，監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量。此外，眼球運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)主要使用嵌入在眼球追蹤屏幕或眼鏡中的高分辨率傳感器。一些可穿戴傳感器可以通過(guò)心肺耦合分析間接監(jiān)測(cè)快速眼動(dòng)。然而，這些監(jiān)測(cè)方法都非常昂貴或復(fù)雜。在不影響現(xiàn)有功能的情況下賦予貼片更多的功能是值得研究的。

摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）在清潔能源技術(shù)和智能傳感方面有廣泛的用途，可用于各種自供電系統(tǒng)，如傳感器、電子學(xué)、機(jī)電學(xué)和機(jī)器人學(xué)。TENGs可以取代微或納米系統(tǒng)中電池的使用，這可以使系統(tǒng)更小、更安全。TENGs還被開(kāi)發(fā)用于可穿戴智能設(shè)備的各種功能，如可拉伸的智能設(shè)備和自我修復(fù)的智能設(shè)備。然而，聚合物材料的皮膚耐受性一直受到質(zhì)疑。可拉伸的高分子材料具有活性分子力，在人體中不能被代謝掉。用皮膚友好的材料制作智能設(shè)備是目前的一個(gè)重要研究方向。此外，一些通過(guò)麥克斯韋位移電流的無(wú)線(xiàn)傳輸和無(wú)線(xiàn)傳感器已被利用于自供電的無(wú)線(xiàn)統(tǒng)。

研究成果

即將推出的可穿戴式保健設(shè)備因其在監(jiān)測(cè)、治療和保護(hù)方面的應(yīng)用潛力而獲得了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。在此，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)曹霞研究員組使用聚四氟乙烯與尼龍織物摩擦，開(kāi)發(fā)了一種自供電的眼罩。由于摩擦起電層表面的過(guò)量電化，該眼罩可以保持穩(wěn)定的靜電場(chǎng)。所設(shè)計(jì)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的輸出功率密度可以達(dá)到約485 mW/m2，附加電阻為11 kQ2。此外，該眼罩的性能允許眼球運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。在摩擦層和集電極之間的垂直距離為20 mm時(shí)，最大電壓可以達(dá)到80 V。不僅可以為潛在的可穿戴應(yīng)用的數(shù)字手表供電，而且還可以集成到睡眠中監(jiān)測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)工作提出了一種人體運(yùn)動(dòng)能量采集機(jī)制，可用于自供電的智能可穿戴健康設(shè)備和Maxwell位移電流無(wú)線(xiàn)傳感器。相關(guān)研究以“Triboelectric Patch Based on Maxwell Displacement Current for Human Energy Harvesting and Eye Movement Monitoring”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。

研究亮點(diǎn)

1. 提出了一種基于麥克斯韋位移電流的自供電眼罩，用于人體能量采集和眼球運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2. 與帶有金屬電極層的TENG相比，所設(shè)計(jì)的無(wú)電眼罩能長(zhǎng)期保持較高的表面電壓，其電壓可從約-0.21 kV提高到約-3.36 kV。

3. 該眼罩不僅可以采集人體運(yùn)動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)自供電功能，還可以監(jiān)測(cè)睡眠時(shí)的眼球運(yùn)動(dòng)，用于可穿戴醫(yī)療設(shè)備。

圖文導(dǎo)讀

Figure 1. （a） Simulated diagram of the triboelectric patch. （b） Schematic diagram of the triboelectric patch components. （c） Scanning electron microscope image of the ICP-etched nylon fabric. （d） Magnification of the image in panel c. （e， f） Profiles of a water drop on （e） untreated and （f） ICP-etched nylon fabric. （g） Scanning electron microscope image of the ICP-etched PTFE. （h） Magnification of the image in panel g. （i， j） Profile of a water drop on （i） untreated and （j） ICP-etched PTFE.

Figure 2. （a） Schematic illustration of the measurement for electrical performance tests and （b） Voc， （c） short-circuit current （Jsc） and （d） transferred charges.

Figure 3. Electrical outputs of the designed TENG with surface area of 4 cm × 4 cm at various motion frequencies （0.5?5 Hz）。

Figure 4. （a） Maximum output voltage and current versus different load resistances. （b） Dependence of Jsc and output power on external load resistance driven by the designed TENG. （c） Capacitor charging for 1， 3.3， 4.7， and 10 μF capacitor using the designed TENG. （d1） Powering of digital watch using 10 μF capacitor; （d2） enlarged photograph of the working digital watch; （d3） photograph of an LED lighting panel driven by the designed TENG.

Figure 5. Washing durability tests of our designed TENG.

Figure 6. （a） Optical images of triboelectric patch components. Electrical output characterization of the as-fabricated electrodeless TENG with collectors： （b） Voc，（c） Jsc， and （d） short-circuit transfer charge of the designed electrodeless TENG.

總結(jié)與展望

綜上所述，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)用于收集人體運(yùn)動(dòng)能量以產(chǎn)生靜電場(chǎng)的自供電眼罩。所設(shè)計(jì)的頻率為4 Hz的垂直接觸分離模式的納米發(fā)電機(jī)的Voc為385 V，Jsc為62 μA，轉(zhuǎn)移電荷為145 nC。此外，設(shè)計(jì)的納米發(fā)電機(jī)可以為發(fā)光二極管和數(shù)字手表供電。聚四氟乙烯駐極體可以穩(wěn)定地保持剩余電荷，這使得眼罩的靜態(tài)場(chǎng)可以長(zhǎng)期工作。與商業(yè)眼罩相比較，該工作中設(shè)計(jì)的眼罩在洗滌過(guò)程中具有很好的耐久性。在清洗之前和之后，眼罩中ICP刻蝕的PTFE 的表面電位幾乎沒(méi)有變化。在這項(xiàng)工作中，使用了普通的親膚材料來(lái)制作眼罩，它在智能醫(yī)療、智能可穿戴設(shè)備和個(gè)性化醫(yī)療診斷方面有可行的應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩