近年來，可穿戴醫(yī)療設備的迅速發(fā)展逐漸引起了人們的關注，能用于監(jiān)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(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)測睡眠質量。其中，眼球運動監(jiān)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(jiān)測快速的眼球運動。然而，這些監(jiān)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(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，開發(fā)了一種自供電摩擦發(fā)電眼罩，可用于監(jiān)測眼球運動。由于摩擦發(fā)電層表面的過度帶電，摩擦發(fā)電眼罩可以保持穩(wěn)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(fā)電眼罩不僅可以為潛在可穿戴應用的數(shù)字手表供電，還可以集成于商用眼罩以監(jiān)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(fā)表在ACS nano期刊上。

摩擦發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電眼罩的結構與表征

眼罩的電輸出性能與應用

該摩擦發(fā)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(shù)字手表供電，可以從表上清楚地看到數(shù)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(fā)電眼罩還能點亮發(fā)光二極管，具有廣泛的應用價值。研究人員演示了該摩擦發(fā)電眼罩用于眼動監(jiān)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(fā)電貼片對眼球運動的監(jiān)測可區(qū)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(tǒng)疾病。因此，該研究對醫(yī)學健康監(jiān)測的發(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

出于實用性考慮，有必要在反復洗滌后保持摩擦發(fā)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(fā)電特性。研究人員通過模擬洗滌環(huán)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?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(fā)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(huán)境與日常生活中的洗滌過程非常相似。因此，該摩擦發(fā)電眼罩具有出色的耐久性和實用性。

圖3 摩擦發(fā)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(fā)電眼罩，用于收集人體運動能量以產生靜電場，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，所設計的摩擦發(fā)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(fā)電眼罩，因而在智能醫(yī)療、智能可穿戴設備、個性化醫(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