随着人机交互（HCI）技术的迭代跃迁，其核心载体已从传统键盘鼠标延伸至触摸屏、语音交互及手势识别系统。特别是在VR/AR和元宇宙场景中，对高灵敏度、舒适性、精准识别兼具的可穿戴设备需求日益凸显。然而，目前基于TENG的手势识别技术主要依赖手套或手指佩戴的设备来实现，这类设备存在诸多弊端，如透气性差、响应延迟明显、识别精度较低。传统的设计方案大多采用基于手套或手指安装的模式，但这些配置往往会损害可穿戴性和长期用户舒适度。因此，开发具有超薄结构、高透气性和智能信号处理能力的柔性摩擦电材料，实现皮肤共形接触下的精准运动捕捉，成为突破当前技术壁垒的关键路径。

近日，中国科学院半导体研究所陈华民副研究员在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Enhancing output performance of triboelectric nanogenerator based on high-dielectric Ti3CNTx/PVA nanofiber membrane for human–computer interaction applications”。 论文第一作者为武夷学院刘瑞来副教授、福建理工大学硕士生冯海航、孙朝阳，通讯作者为陈华民副研究员、翁明岑研究员和肖宇副教授。

研究团队通过优化的静电纺丝工艺，成功制备出Ti₃CNTₓ/PVA纳米纤维膜。该纳米纤维膜的创新之处在于，将高介电性的Ti₃CNTₓ纳米片均匀嵌入PVA基体中，显著提升了材料的机械性能。这种纳米纤维膜不仅兼具高透气性、良好的生物相容性及优异的机械柔韧性，其高介电常数特性还大幅增强了摩擦电纳米发电机（TENG）的输出性能。

此外，研究团队突破传统手套/手指集成模式，创新开发出基于薄膜结构的MP-TENG传感系统。该装置通过保形接触设计紧密贴附于手背皮肤，在捕捉手势运动特征的同时避免了运动干扰。结合自主研发的多层感知器（MLP）神经网络，系统在国际标准手势数据集上实现了96.36%的高精度识别。该项技术突破不仅为TENG界面工程提供了新的优化思路，更为人机交互（HCI）的可穿戴化发展开辟了柔性电子器件的集成范式。

图1：Ti3CNTx/PVA混合纳米纤维膜的制备及其结构表征。

如图1所示，研究人员通过静电纺丝技术制备出兼具高透气性与柔韧性的MP纳米纤维膜。SEM图像揭示MXene/PVA形成了纤维直径均一的三维互锁网络（图1c-d），其表面光滑特性与均匀元素分布（EDS证实C/N/O/Ti原子均匀分散，XRD在6.24°和19.26°处显示特征峰）协同增强界面接触效率。FTIR分析证实MXene-PVA氢键交互强化了分子网络（图1e-g）。该材料展现出6.9MPa的抗拉强度（较纯PVA提升431%）和98.7%的断裂应变（图2h），归因于氢键抑制分子链滑移机制。这种异质结构设计与优异的天然水解特性为可降解电子器件发展提供了新范式。

图2：MP纳米纤维膜膜的介电性能和Ti3CNTx和Ti3C2Tx样品的XPS光谱。

如图2所示，研究通过MXene纳米片掺杂PVA基体制备高介电摩擦电材料。MXene表面富集的-F/-OH基团大幅增强材料电负性，其与PVA基体间的Maxwell-Wagner-Sillars界面极化效应成为性能突破的核心机制。实验表明，MXene浓度提升可显著增加复合材料的介电常数，5mg/mL样品表现出最优介电性能与极化能力。XPS分析揭示氮掺杂引发的Ti-C/N键电子重排增强了官能团共价作用，同步提升导电性和结构稳定性。该界面工程策略为柔性电子器件的开发提供了创新解决方案。

图3：MP-TENG的电气性能测试。

如图3所示，研究团队创新性地开发出基于MP纳米纤维膜的自供电摩擦纳米发电机（TENG），MP-TENG通过多孔结构MP-NM与Ecoflex复合，实现接触力与频率依赖的电输出特性。在接触力驱动模式下，输出电压、电流及转移电荷随压力增加呈线性增长，最大输出达128 V、8.4 mA m-2、130 μC m-2，这源于实际接触面积的显著扩展。频率响应测试显示，输出电流随振动频率提升（2.5 mA m-2至14.25 mA m-2），而电压与电荷量保持稳定，归因于电荷转移速率对运动速度的弱敏感性。负载调控实验表明，外接电阻2MΩ时峰值功率密度达5.5W/m²，且具备高效电容器充电能力（2.2μF/8.8V或10μF/5V）。耐久性测试中，装置在10000次循环（2Hz）后输出性能维持96%，验证其长期稳定性。该特性为微型电子设备提供了一种自供电解决方案，尤其适用于低功耗、间歇性工作场景。

图4：MP-NM智能手势识别系统应用。

同时，研究基于MP-NM摩擦电材料构建了自供电手势识别系统，通过TENG实时采集动态压力信号，结合多层感知机（MLP）神经网络实现高精度分类。系统对600组手势数据训练后，对6种国际手势的识别准确率达96.36%，并可扩展至手写字符分类（准确率>99%）。MP-NM的透气性确保了穿戴舒适性，而其水解特性增强了生物相容性，推动人机交互向自然、环保方向发展。这项技术可进一步延伸至柔性电子皮肤、医疗康复监测、工业人机协作等领域，推动人机交互向无感化、自然化、智能化方向演进，为元宇宙时代的沉浸式体验提供底层支撑。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165703 

人物简介：

陈华民，中国科学院半导体研究所副研究员，硕士生导师，福建省高层次C类人才。主要从事可延展柔性多模态光电子集成器件研究，主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金项目，参与过973项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、福建省“揭榜挂帅”项目等。以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Advanced Science, Energy Environmental Materials, Chemical Engineering Journal等国际SCI期刊上发表论文40余篇，授权专利7项。担任Soft Science、Exploration、MedMat等期刊青年编委。

翁明岑，福建理工大学生物与化学研究院研究员、硕士生导师。2019 年毕业于福建师范大学凝聚态物理专业，理学博士。福建省高层次人才 C 类。本人主要从事智能驱动材料的制备与应用研究，主要围绕柔性驱动材料的刺激响应机理、形变调控机制、多功能集成等方面。研究成果申请人以第一/通讯作者发表论文 40余篇，包括 Adv. Funct. Mater.，Nano Energy，Adv. Sci.，Nano Research 等国内外高水平学术期刊，被引 1600 余次，H 指数大于20。获授权国家发明专利 9 项。获批国家自然科学基金青年基金，福建省自然科学基金青年创新项目等项目资助。

肖宇，微电子学与固体电子学博士，闽江学院硕士生导师，副教授。2024年毕业于中国科学院半导体研究所，获博士学位。现主要从事柔性传感、柔性电路相关研究，包括湿度传感、葡萄糖电化学传感、传感阵列采集电路以及无线信号传输电路研究。近五年内在Nano Energy, Advanced Functional Materials, Small Methods等国际SCI期刊上发表论文17篇。