DOI:10.1007/s40684-020-00246-y

近年来，摩擦纳米发电机（TENG）已被证明是一种有效且简单的自供电可穿戴传感设备，目前已将多种材料和方法用于制备TENG基传感器。在这项研究中，通过对生物相容性电纺纤维毡进行冷压，获得了具有纳米孔脑样结构（BUF）的超薄纤维膜，在此基础上研制出一种基于BUF膜的可穿戴TENG传感器，该传感器可灵敏地检测人体运动。这种简单设计的自供电传感器由Kapton作为外壳，具有生物相容性的超薄聚L-乳酸和乙基纤维素（EC）纤维膜作为摩擦电层，通过简便的静电纺丝和冷压法制备而成。与初纺纤维垫相比，冷压纤维膜不仅结构紧凑，而且保持了多孔的表面形态，从而改善了TENG的摩擦电输出和操作稳定性。为了评估不同摩擦电层对摩擦电输出的影响，制备了三种TENG，其中BUF-TENG的摩擦电输出最大（3.5 Hz下为19 V，630 nA），使用寿命比TENG基初纺纤维毡要长。BUF-TENG的摩擦电输出和频率之间具有线性关系，在0.1-0.35、0.35-2和2-3.5 Hz范围内的灵敏度分别为32.4、0.94和0.22 V Hz-1。此外，还提出了一种基于BUF-TENG的自供电传感器，能够灵敏检测人行走状态和四肢运动。由于制备简单和材料的生物相容性，BUF-TENG传感器有望成为未来医疗保健和监测领域中的一种自供电便携式传感器。

图1.a）通过静电纺丝制备BUF-TENG的工艺流程示意图，b）TENG的结构示意图。

图2.SEM图像显示了a）初纺PLLA纤维（放大的插图显示了PLLA纤维表面上的纳米孔），b）冷压PLLA纤维膜的表面结构（右边放大的插图显示了弯曲和粘附的纤维，左图为大脑皮层的沟状结构），c）初纺PLLA纤维垫和d）冷压PLLA纤维膜的横截面形态。

图3.SEM图像显示了a）初纺EC纤维（放大的插图显示了EC纤维表面上细长的孔和皱纹），b）冷压EC纤维的表面结构（放大的插图显示了在压制EC纤维表面上的浅凹点），c）初纺EC纤维毡和d）冷压EC纤维膜的横截面形态。

图4.a）初纺PLLA纤维毡、b）压制PLLA纤维毡、c）初纺EC纤维毡和d）压制EC纤维薄膜的AFM表面轮廓。

图5.冷压前后a）PLLA纤维和b）EC纤维的傅里叶变换红外吸收光谱。

图6.BUF-TENG的工作原理。

图7.基于不同静电纺丝距离制备的初纺纤维毡的TENG摩擦电输出，以及在不同距离下纺制的PLLA和EC纤维毡的插图。

图8.在不同频率下，基于a，b）压制纤维膜，c，d）初纺纤维垫以及e，f）溶液浇铸膜作为摩擦电层的TENG的开路电压和短路电流。

图9.a）负载电阻下基于初纺纤维毡和压制纤维毡的TENG的电压和功率。b）初纺纤维毡和压制纤维毡基TENGs的各种电容器充电曲线。

图10.a）BUF和初纺纤维毡基TENG的使用寿命周期（插图显示了运行后的初纺摩擦电层和集成压制摩擦电层之间的粘附力）和b）BUF-TENG在0-5 Hz下的摩擦电Voc曲线。

图11.自供电BUF-TENG传感器在a）0/2、b）2/0、c）1/3和d）3/1模式下的摩擦电Voc和Isc曲线。

图12.a）通过手臂伸展和弯曲产生的BUF-TENG传感器的摩擦电Voc信号。b）人体行走和站立产生的BUF-TENG传感器的摩擦电Voc信号。