深圳大学孟思/孔湉湉/刘洲Adv Sci：面向实时步态分析的摩擦电纳米发电器纺织传感器

摩擦电纳米发电机(TENG)通过摩擦起电和静电感应的耦合效应实现自供电，因结构简单、小型、轻量化的优势成为可穿戴传感器件的理想选择。基于织物结构的TENG进一步赋予可穿戴器件柔软、舒适的特性，为生理信号无创监测提供了一种新思路。以芯壳结构的纱线为标志的织物型TENG与传统织物有良好的兼容性，但常规的同轴纺丝、涂层、覆膜、包纱等芯壳纱线制备方式，易出现芯层导电纤维和壳层摩擦电材料之间结合性差，导致芯壳间电阻增大，或因壳层不均匀导致电荷泄漏，以及受力时易滑移脱落等问题。这些问题使织物型TENG灵敏度和稳定性较低。

针对这一问题，深圳大学微流控与软物质课题组孟思副研究员、孔湉湉教授、刘洲研究员，提出利用同轴共轭静电纺丝结合导电粘合剂涂层的方法，实现高灵敏度、高稳定性、灵活柔软，适用于多种纺织结构的芯-壳纳米纤维同轴纱线（NCYs）的大规模制备，展示了NCYs及其衍生纺织品在人体不同部位生理信号监测的灵活性，并利用平纹织物结构的NCY-TENG开发一种高灵敏度、抗菌、透气、耐洗特性的智能鞋垫，是用于糖尿病足患者实时步态监测的理想选择。相关研究成果近期以题为 “Scalable and ultra-sensitive nanofibers coaxial yarn-woven triboelectric nanogenerator textile sensors for real-time gait analysis”发表于《 Advanced Science》上。

图1 纳米纤维同轴纱线编织的织物型TENG原理及其在步态监测中的应用示意图

1、纳米纤维同轴纱线（NCYs）的制备过程及性能表征

为设计芯-壳结构稳定、具有高灵敏的NCYs，作者采用了同轴共轭静电纺丝结合导电粘合剂涂层的方法（图2a），分别采用PA66及PVDF-TrFE聚合物溶液作为两种摩擦带电性不同的NCYs壳层纺丝材料，芯层材料均采用柔性不锈钢纤维；并在同轴共轭静电纺丝过程中添加一道导电粘合剂同步涂层工艺（其中粘性组分为PVA，导电组分为液态金属，银纳米线为抗菌主要成分），以减小NCYs芯壳间的界面间隙（图2b、2c为涂层工艺作用对比），增加芯壳间的粘附性（图2d），以降低接触电阻，提高结构稳定性及输出效率。通过共轭静电纺丝工艺形成两种NCYs壳层为500-1000um左右的纳米纤维的结构（图2e-2h）。该方法能够大规模制备高柔韧性、灵活性的NCYs（图2i-2k），与传统织物具有良好的兼容性（如图2l）。

图2 纳米纤维同轴纱线的制备过程、形貌及力学性能表征

2、PA66基与PVDF基NYCs形成织物型TENG（NCY-TENG）的电信号产生机理及性能

NCY-TENG可以通过不同极性的PA66基和PVDF基两种壳层材料的 NCYs的进行加捻或或编织的方式来设计（图3a），并通过接触分离(C-S)模式产生电信号，在外力作用下，两种NYCs之间的接触面积增大，两者之间的电位差随之增大。导电粘合剂涂层工艺对提高NYCs输出效率起重要作用（图3b），而共轭静电纺丝工艺则进一步提高NYCs制成的织物型TENG的灵敏度（图3c），不同壳层厚度的NYCs具有不同的输出效率，通过调节共轭静电纺丝工艺转速可实现NYCs壳层厚度的调控（图3d、3e）。

图3 pa66基与pvdf基NCYs复合纺织品电信号产生机理及性能

3、利用NCYs构建具有平纹编织结构的NCY-TENG，及性能测试

得益于NCYs柔软、灵活的类纺织品特性，可通过常规的纺织机（图4a）制备与多数传统织物兼容的平纹编织结构的NCY-TENG。作者通过搭建基于往复马达的步态模拟测试系统（图4b），测试了平纹NCY-TENG在检测人类运动中典型的力频率和大小的能力；测试过程覆盖典型步态频率1~3.5Hz下的输出信号，我们发现这种织物在0.5-3.5 Hz的频率范围内能够产生稳定而明显的电信号，确认NCY-TENG在步态监测中的适用性。更高频率的压力会使输出电压（Vout）随之增大，而在恒定频率（2hz）下， Vout也随着外力的增加而增加（图4e）。结果表明，NCY-TENG可以通过测量不同压力下的电压响应来实时监测足底应力，满足步态分析的要求。另外，平纹NCY-TENG在低频下展示了优异的灵敏度及信噪比，3Hz条件下测试对外力的灵敏度高达8.36 V/kPa（图4f），在频率仅为0.3Hz、0.01 kPa的周期性超低压力下仍能够产生稳定和高质量的电信号（图4g），性能超过大多数纤维型或织物型TENG传感装置（图4h），证明NCY-TENG在人体低频、微弱生理活动监测中的可靠性及有效性。耐久性方面，NCY-TENG在超过10000次3hz、0.4 kPa循环应力的作用下，测试前与测试后的Vout差小于1%，展现了优异的长期稳定性。

图4 平纹编织结构NCY-TENG的制备工艺、性能测试系统及输出性能

4、利用NCYs构建复合纱形态的NCY-TENG及其结构、性能和应用

为增强NCYs在可穿戴设备中的多功能性，除了上文展示的平纹NCY-TENG，作者还探索了NCYs的衍生纺织品结构，包括加捻纱、编织纱和罗纹织物等结构。通过加捻和编织的方式分别制成NCY-TENG加捻纱线和编织纱线（图5a-5b）。进一步测试其性能，可发现两种结构的复合纱表现出不同的机械性能和传感性能；在低应力条件下，NCY-TENG加捻纱比编织纱表现出更优异的灵敏度，但编织纱线可以检测到更大的应力范围（图5c）。这种差异主要是由于编织纱中NCYs的是更宽松的弯曲状编织，在低应力下导致更小的纤维接触面积，降低电荷转移效率，但这种结构同时赋予NCYs织物一定拉伸性。作者展示了高灵敏、轻量化的NCY-TENG加捻纱在颈部吞咽等细微动作检测的潜力（图5d-5f）。可拉伸的NCY-TENG编织纱则适合跟踪手指等较小关节的运动（5g-5i），扩大NCYs在不同可穿戴场景的适用性。

图5复合纱线形态NCY-TENG的结构、性能及应用

5、利用NCYs构建罗纹针织结构NCY-TENG及其结构、性能和应用

具有罗纹针织结构的NCYs衍生纺织品可通过常见的针织装置制得（图6a），并将其融入日常可穿戴物品中，与平纹NCY-TENG相比，罗纹NCY-TENG具有更宽的线性可测压力范围，但其灵敏度表现较差（图6b），这种性能差异是由于其松散的圆形编织结构；而罗纹NCY-TENG的可拉伸性使其非常适合监测肘部等较大关节的运动。利用这一特性，可将罗纹NCY-TENG整合到商用肘部保护套中（图6c），可准确，准确感知肘部不同角度的弯曲，跟踪肘部运动（图6d-6e）。

图6 罗纹针织结构NCY-TENG的制备工艺、结构、性能及应用

6、基于平纹结构NCY-TENG设计步态监测智能鞋垫

选择了高灵敏度、结构平整的平纹NCY-TENG作为步态监测鞋垫基本构成单元（图7a-7b），并将15个平纹NCY-TENG设置在足部区域的关键足压力点。为评估步态监测鞋垫的有效性，实验者通过穿戴内置智能鞋垫的鞋子进行各种站立和行走活动，测试不同的步态条件对足底压力分布的影响，测试每个平纹NCY-TENG单元的Vout。通过Ansys有限元分析进行仿真，进一步可视化鞋底的压力分布（图7c-7e），揭示了不同步态类型（标准步态、内向步态、外向步态）的压力分布的关键差异，表明步态监测鞋垫能够提供准确的压力映射以识别不同步态状态下独特的足底压力。另外，得益于NCYs的优势，平纹NYC-TENG纺织品具有出色的透气性（图7f）及耐洗涤性，在超过30次洗涤循环后，仍能保持原始输出电压的94%左右（图7i），结合粘合剂涂层工艺赋予NYCs的抗菌性能（图7g-7h），平纹NCY-TENG智能鞋垫在可穿戴步态监测方面展现出巨大的潜力，特别是针对糖尿病足患者的步态检测。

图7 平纹编织NCY-TENG制作的智能鞋垫，用于步态监测及使用性能的展示

本工作开发的NCYs及其衍生纺织品，由于其高灵敏性、优异的类纺织品特性及功能可扩展性在可穿戴生理活动监测方面展示了很好的应用潜力，这些纺织品不仅适用于糖尿病足患者步态、关节活动等身体运动信号的实时监测，在可穿戴电子设备及智能纺织品领域也具有广阔的应用前景。

作者简介：

孟思，深圳大学化学与环境工程学院副研究员，深圳市高层次人才。师从东华大学纤维领域知名学者朱美芳院士，主要从事纤维的制备与结构设计、智能可穿戴、生物支架材料等方面的研究，以第一作者及通讯作者在 Advanced Functional Materials、Biomaterials、 Advanced Science、 Nano Research、 Small、 Small Method等研究领域重要期刊上发表论文10余篇，参与编写纤维领域重要专著两部。

孔湉湉，国家级青年人才入选者，深圳大学医学部生物医学工程学院特聘教授、博导。主要研究领域为微流控技术在生物医学领域的应用和发展。迄今共90余篇高水平学术期刊论文发表，包括第一或通讯作者论文如 Nature Communications、 PNAS、 Advanced Materials、 Angew Chem、 Science Bulletin、 Advanced Functional Materials、 Advanced Energy Materials、 ACS Nano等。担任期刊 Microsystem and Nanoengineering编委 、Green Energy & Environment及 InFoMat青年编委、中国化工学会理事、中国化工学会青年工作委员会委员、微化工专委会委员等。

刘洲，深圳大学化学与环境工程学院特聘研究员、博导。主要从事微流控技术、流体物理、软物质材料等方面的研究，在 Nature Communications、 Angewandte Chemie、 Advanced Materials、 Advanced Functional Materials、 ACS Nano等研究领域重要期刊上发表论文50余篇。所获荣誉包括日内瓦国际发明展银奖、中国化学学会基础研究二等奖、深圳市优青、深圳市高层次人才计划B类，担任中国化工学会微化工专委会青年委员等职务。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202401436

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！