近年來(lái)，可穿戴醫(yī)療設(shè)備的迅速發(fā)展逐漸引起了人們的關(guān)注，能用于監(jiān)測(cè)人體的生理與行為信號(hào)并提供有效的輔助治療。最近，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一款廣受上班族追捧的眼罩，其能在一定程度上緩解眼部疲勞，監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量。其中，眼球運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)主要使用嵌入眼球追蹤屏幕或眼鏡的高分辨率傳感器，以通過(guò)心肺耦合分析間接監(jiān)測(cè)快速的眼球運(yùn)動(dòng)。然而，這些監(jiān)測(cè)方法都非常昂貴且復(fù)雜。

近期，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、曹霞研究員等人基于聚四氟乙烯與尼龍織物的摩擦，開(kāi)發(fā)了一種自供電摩擦發(fā)電眼罩，可用于監(jiān)測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)。由于摩擦發(fā)電層表面的過(guò)度帶電，摩擦發(fā)電眼罩可以保持穩(wěn)定的靜電場(chǎng)。其輸出功率密度可以達(dá)到約485mW/m2，且在摩擦層與集電極垂直距離為20mm時(shí)，最大電壓可達(dá)80V。該摩擦發(fā)電眼罩不僅可以為潛在可穿戴應(yīng)用的數(shù)字手表供電，還可以集成于商用眼罩以監(jiān)測(cè)睡眠期間的眼球運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)工作提出了一種人體運(yùn)動(dòng)能量收集機(jī)制，可用于自供電智能可穿戴健康設(shè)備和麥克斯韋位移電流無(wú)線傳感器。該研究以題為“Triboelectric Patch Based on Maxwell Displacement Current for Human Energy Harvesting and Eye Movement Monitoring”的論文發(fā)表在ACS nano期刊上。

摩擦發(fā)電眼罩的設(shè)計(jì)

該眼罩主要包括三個(gè)部分，最內(nèi)層是市售的帶凹槽的眼罩。這種立體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅可以減少眼罩對(duì)眼球的壓力，還可以防止聚四氟乙烯層與尼龍摩擦后與其他材料接觸，從而使麥克斯韋位移場(chǎng)得以長(zhǎng)時(shí)間保存。第二部分是由聚四氟乙烯和尼龍織物制成的摩擦發(fā)電層。兩者經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的摩擦后，通過(guò)接觸帶電在聚四氟乙烯和尼龍織物之間產(chǎn)生大量表面電荷。與具有金屬電極層的TENG相比，此無(wú)電極摩擦發(fā)電貼眼罩可長(zhǎng)時(shí)間保持高表面電壓，可從約-0.21kV增加到約-3.36kV。第三部分是眼罩的最外層，是一種帶有夾層的自制眼罩，可以填充用戶自己喜歡的材料，如芳香材料、護(hù)膚材料和眼保健材料等。

圖1 摩擦發(fā)電眼罩的結(jié)構(gòu)與表征

眼罩的電輸出性能與應(yīng)用

該摩擦發(fā)電眼罩可以在匹配的負(fù)載電阻下產(chǎn)生最大的輸出功率，當(dāng)外接電阻為11MΩ時(shí)，其最大輸出功率可達(dá)485mW/m2。因此，該眼罩可用于為各種電容器充電。研究人員將其作為電源為數(shù)字手表供電，可以從表上清楚地看到數(shù)字時(shí)間顯示，說(shuō)明其能夠通過(guò)10μF的電容驅(qū)動(dòng)電子表。此外，該摩擦發(fā)電眼罩還能點(diǎn)亮發(fā)光二極管，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。研究人員演示了該摩擦發(fā)電眼罩用于眼動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，在睡眠階段快速眼動(dòng)測(cè)試識(shí)別可以幫助評(píng)估心肺耦合。通過(guò)該摩擦發(fā)電貼片對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)可區(qū)分快速眼動(dòng)睡眠與其他睡眠階段，并結(jié)合心肺耦合可初步篩查一些睡眠和呼吸系統(tǒng)疾病。因此，該研究對(duì)醫(yī)學(xué)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展具有重要意義。

圖2 電輸出性能

摩擦發(fā)電眼罩的耐久性

出于實(shí)用性考慮，有必要在反復(fù)洗滌后保持摩擦發(fā)電眼罩的性能，即評(píng)估洗滌后的聚四氟乙烯和尼龍織物的摩擦發(fā)電特性。研究人員通過(guò)模擬洗滌環(huán)境，在裝有家用洗滌劑、磁鐵和自來(lái)水的燒杯中進(jìn)行了耐洗性測(cè)試。研究人員將兩種材料浸入水中10分鐘，然后在室內(nèi)自然干燥。在洗滌前，聚四氟乙烯的初始表面電位約為-0.21kV，在尼龍織物充分摩擦后，其表面電位變?yōu)榧s-3.36kV。洗滌后，聚四氟乙烯的表面電位約為-3.33kV。因此，正常的洗滌過(guò)程不會(huì)影響聚四氟乙烯的摩擦性能，這表明所設(shè)計(jì)的摩擦發(fā)電眼罩是可清洗的，并且堅(jiān)固耐久。此外，該耐洗性測(cè)試是在沒(méi)有任何包裝的情況下清洗的，這種模擬環(huán)境與日常生活中的洗滌過(guò)程非常相似。因此，該摩擦發(fā)電眼罩具有出色的耐久性和實(shí)用性。

圖3 摩擦發(fā)電眼罩的耐洗性測(cè)試

綜上所述，研究人員設(shè)計(jì)了一種摩擦發(fā)電眼罩，用于收集人體運(yùn)動(dòng)能量以產(chǎn)生靜電場(chǎng)，還可以為發(fā)光二極管和數(shù)字手表供電。與商業(yè)眼罩相比，所設(shè)計(jì)的摩擦發(fā)電眼罩在洗滌過(guò)程中具有出色的耐用性。該研究采用了常用的親膚材料來(lái)制作摩擦發(fā)電眼罩，因而在智能醫(yī)療、智能可穿戴設(shè)備、個(gè)性化醫(yī)療診斷等方面具有可行性。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01199

審核編輯 ：李倩