摩擦納米發(fā)電機（TENG）因結(jié)構(gòu)簡單、小型、輕量化等優(yōu)勢成為可穿戴傳感器件的理想選擇。基于織物結(jié)構(gòu)的TENG進一步賦予可穿戴器件柔軟、舒適特性，為生理信號無創(chuàng)監(jiān)測提供了新思路。以芯殼結(jié)構(gòu)紗線為標(biāo)志的織物型TENG與傳統(tǒng)織物有良好的兼容性，但常規(guī)的同軸紡絲、涂層、覆膜、包紗等芯殼紗線的制備方式，易出現(xiàn)芯層導(dǎo)電纖維和殼層摩擦電材料之間結(jié)合性差，導(dǎo)致芯殼間電阻增大，或因殼層不均勻?qū)е码姾尚孤约笆芰r易滑移脫落等問題，從而使織物型TENG靈敏度和穩(wěn)定性較低。

文章概述

針對該問題，深圳大學(xué)微流控與軟物質(zhì)課題組孟思副研究員、孔湉湉教授、劉洲研究員團隊，提出利用同軸共軛靜電紡絲結(jié)合導(dǎo)電黏合劑涂層的方法，實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定性、靈活柔軟、適用于多種紡織結(jié)構(gòu)的芯 — 殼納米纖維同軸紗線（NCYs）的大規(guī)模制備，并將NCYs及其衍生紡織品應(yīng)用在人體不同部位生理信號監(jiān)測。

圖文解讀

研究人員采用同軸共軛靜電紡絲結(jié)合導(dǎo)電黏合劑涂層的方法，分別以PA66及PVDF-TrFE聚合物溶液作為兩種摩擦帶電性不同的NCYs殼層紡絲材料，芯層材料均采用柔性不銹鋼纖維；并在同軸共軛靜電紡絲過程中添加一道導(dǎo)電黏合劑同步涂層工藝（其中黏性組分為PVA，導(dǎo)電組分為液態(tài)金屬，銀納米線為抗菌成分），以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及輸出效率。該方法能夠大規(guī)模制備高柔韌性、高靈活性的NCYs。 得益于NCYs柔軟、靈活的類紡織品特性，研究人員通過常規(guī)織機制備了與多數(shù)傳統(tǒng)織物兼容的平紋編織結(jié)構(gòu)NCY-TENG，并測試了其在監(jiān)測人類運動方面的能力；測試過程覆蓋典型步態(tài)頻率1~3.5Hz下的輸出信號，發(fā)現(xiàn)這種織物在0.5~3.5 Hz的頻率范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定而明顯的電信號，確認(rèn)其在步態(tài)監(jiān)測中的適用性。同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，NCY-TENG可以通過測量不同壓力下的電壓響應(yīng)來實時監(jiān)測足底應(yīng)力，滿足步態(tài)分析的要求。 除了平紋NCY-TENG外，研究人員還探索了NCYs其他的衍生紡織品結(jié)構(gòu)，包括加捻紗、編織紗和羅紋織物等。通過加捻和編織的方式分別制成NCY-TENG加捻紗線和編織紗線。進一步測試其性能，可發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的復(fù)合紗表現(xiàn)出不同的機械性能和傳感性能：在低應(yīng)力條件下，NCY-TENG加捻紗比編織紗表現(xiàn)出更優(yōu)異的靈敏度，但編織紗線可以檢測到更大的應(yīng)力范圍。因此，高靈敏、輕量化的NCY-TENG加捻紗在頸部吞咽等細(xì)微動作檢測方面潛力更大，可拉伸的NCY-TENG編織紗則適合跟蹤手指等較小關(guān)節(jié)的運動。 具有羅紋針織結(jié)構(gòu)的NCYs衍生紡織品與平紋NCY-TENG相比，具有更寬的線性可測壓力范圍，但其靈敏度表現(xiàn)較差；而羅紋NCY-TENG的可拉伸性使其非常適合監(jiān)測肘部等較大關(guān)節(jié)的運動。利用這一特性，可將羅紋NCY-TENG整合到商用肘部保護套中，其可準(zhǔn)確感知肘部不同角度的彎曲，跟蹤肘部運動。 研究人員還選擇了高靈敏度、結(jié)構(gòu)平整的平紋NCY-TENG作為步態(tài)監(jiān)測鞋墊基本構(gòu)成單元，并將15個平紋NCY-TENG設(shè)置在足部區(qū)域的關(guān)鍵足壓力點。為評估步態(tài)監(jiān)測鞋墊的有效性，實驗者通過穿戴內(nèi)置智能鞋墊的鞋子進行各種站立和行走活動，測試不同的步態(tài)條件對足底壓力分布的影響，結(jié)果表明步態(tài)監(jiān)測鞋墊能夠提供準(zhǔn)確的壓力映射以識別不同步態(tài)狀態(tài)下獨特的足底壓力。另外，平紋NYC-TENG紡織品具有出色的透氣性及耐洗滌性、抗菌性能，在可穿戴步態(tài)監(jiān)測方面展現(xiàn)出巨大的潛力，特別是針對糖尿病足患者的步態(tài)檢測。 ?

審核編輯 黃宇