研究背景

如今，在日常生活中，我們的健康面臨著許多危險和威脅，越來越多的人受到亞健康或“亞健康“問題的困擾。隨著人們保健意識的提高，各種醫療設備和保健器材也越來越多地進入市場。此外，對可穿戴醫療設備的需求也在增長。可穿戴醫療設備可以監測人體的生理和行為信號，并提供有效的輔助治療。此外，它們還可以防止周圍環境的傷害。因此，可穿戴醫療設備近年來發展迅速，引起人們的關注。市場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，監測睡眠質量。此外，眼球運動監測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心肺耦合分析間接監測快速眼動。然而，這些監測方法都非常昂貴或復雜。在不影響現有功能的情況下賦予貼片更多的功能是值得研究的。

摩擦納米發電機（TENGs）在清潔能源技術和智能傳感方面有廣泛的用途，可用于各種自供電系統，如傳感器、電子學、機電學和機器人學。TENGs可以取代微或納米系統中電池的使用，這可以使系統更小、更安全。TENGs還被開發用于可穿戴智能設備的各種功能，如可拉伸的智能設備和自我修復的智能設備。然而，聚合物材料的皮膚耐受性一直受到質疑。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備是目前的一個重要研究方向。此外，一些通過麥克斯韋位移電流的無線傳輸和無線傳感器已被利用于自供電的無線統。

研究成果

即將推出的可穿戴式保健設備因其在監測、治療和保護方面的應用潛力而獲得了相當的關注。在此，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊曹霞研究員組使用聚四氟乙烯與尼龍織物摩擦，開發了一種自供電的眼罩。由于摩擦起電層表面的過量電化，該眼罩可以保持穩定的靜電場。所設計的摩擦納米發電機（TENG）的輸出功率密度可以達到約485 mW/m2，附加電阻為11 kQ2。此外，該眼罩的性能允許眼球運動監測。在摩擦層和集電極之間的垂直距離為20 mm時，最大電壓可以達到80 V。不僅可以為潛在的可穿戴應用的數字手表供電，而且還可以集成到睡眠中監測眼球運動。這項工作提出了一種人體運動能量采集機制，可用于自供電的智能可穿戴健康設備和Maxwell位移電流無線傳感器。相關研究以“Triboelectric Patch Based on Maxwell Displacement Current for Human Energy Harvesting and Eye Movement Monitoring”為題發表在ACS Nano期刊上。

研究亮點

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動監測。

2. 與帶有金屬電極層的TENG相比，所設計的無電眼罩能長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動能量，實現自供電功能，還可以監測睡眠時的眼球運動，用于可穿戴醫療設備。

圖文導讀

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.

總結與展望

綜上所述，作者設計了一個用于收集人體運動能量以產生靜電場的自供電眼罩。所設計的頻率為4 Hz的垂直接觸分離模式的納米發電機的Voc為385 V，Jsc為62 μA，轉移電荷為145 nC。此外，設計的納米發電機可以為發光二極管和數字手表供電。聚四氟乙烯駐極體可以穩定地保持剩余電荷，這使得眼罩的靜態場可以長期工作。與商業眼罩相比較，該工作中設計的眼罩在洗滌過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 的表面電位幾乎沒有變化。在這項工作中，使用了普通的親膚材料來制作眼罩，它在智能醫療、智能可穿戴設備和個性化醫療診斷方面有可行的應用。

審核編輯 ：李倩