近年來，可穿戴醫療設備的迅速發展逐漸引起了人們的關注，能用于監測人體的生理與行為信號并提供有效的輔助治療。最近，市場上出現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，監測睡眠質量。其中，眼球運動監測主要使用嵌入眼球追蹤屏幕或眼鏡的高分辨率傳感器，以通過心肺耦合分析間接監測快速的眼球運動。然而，這些監測方法都非常昂貴且復雜。

近期，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、曹霞研究員等人基于聚四氟乙烯與尼龍織物的摩擦，開發了一種自供電摩擦發電眼罩，可用于監測眼球運動。由于摩擦發電層表面的過度帶電，摩擦發電眼罩可以保持穩定的靜電場。其輸出功率密度可以達到約485mW/m2，且在摩擦層與集電極垂直距離為20mm時，最大電壓可達80V。該摩擦發電眼罩不僅可以為潛在可穿戴應用的數字手表供電，還可以集成于商用眼罩以監測睡眠期間的眼球運動。這項工作提出了一種人體運動能量收集機制，可用于自供電智能可穿戴健康設備和麥克斯韋位移電流無線傳感器。該研究以題為“Triboelectric Patch Based on Maxwell Displacement Current for Human Energy Harvesting and Eye Movement Monitoring”的論文發表在ACS nano期刊上。

摩擦發電眼罩的設計

該眼罩主要包括三個部分，最內層是市售的帶凹槽的眼罩。這種立體結構的設計不僅可以減少眼罩對眼球的壓力，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得以長時間保存。第二部分是由聚四氟乙烯和尼龍織物制成的摩擦發電層。兩者經過簡單的摩擦后，通過接觸帶電在聚四氟乙烯和尼龍織物之間產生大量表面電荷。與具有金屬電極層的TENG相比，此無電極摩擦發電貼眼罩可長時間保持高表面電壓，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、護膚材料和眼保健材料等。

圖1 摩擦發電眼罩的結構與表征

眼罩的電輸出性能與應用

該摩擦發電眼罩可以在匹配的負載電阻下產生最大的輸出功率，當外接電阻為11MΩ時，其最大輸出功率可達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字手表供電，可以從表上清楚地看到數字時間顯示，說明其能夠通過10μF的電容驅動電子表。此外，該摩擦發電眼罩還能點亮發光二極管，具有廣泛的應用價值。研究人員演示了該摩擦發電眼罩用于眼動監測的應用，在睡眠階段快速眼動測試識別可以幫助評估心肺耦合。通過該摩擦發電貼片對眼球運動的監測可區分快速眼動睡眠與其他睡眠階段，并結合心肺耦合可初步篩查一些睡眠和呼吸系統疾病。因此，該研究對醫學健康監測的發展具有重要意義。

圖2 電輸出性能

摩擦發電眼罩的耐久性

出于實用性考慮，有必要在反復洗滌后保持摩擦發電眼罩的性能，即評估洗滌后的聚四氟乙烯和尼龍織物的摩擦發電特性。研究人員通過模擬洗滌環境，在裝有家用洗滌劑、磁鐵和自來水的燒杯中進行了耐洗性測試。研究人員將兩種材料浸入水中10分鐘，然后在室內自然干燥。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，其表面電位變為約-3.36kV。洗滌后，聚四氟乙烯的表面電位約為-3.33kV。因此，正常的洗滌過程不會影響聚四氟乙烯的摩擦性能，這表明所設計的摩擦發電眼罩是可清洗的，并且堅固耐久。此外，該耐洗性測試是在沒有任何包裝的情況下清洗的，這種模擬環境與日常生活中的洗滌過程非常相似。因此，該摩擦發電眼罩具有出色的耐久性和實用性。

圖3 摩擦發電眼罩的耐洗性測試

綜上所述，研究人員設計了一種摩擦發電眼罩，用于收集人體運動能量以產生靜電場，還可以為發光二極管和數字手表供電。與商業眼罩相比，所設計的摩擦發電眼罩在洗滌過程中具有出色的耐用性。該研究采用了常用的親膚材料來制作摩擦發電眼罩，因而在智能醫療、智能可穿戴設備、個性化醫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