研究背景:

近年来，随着电子、材料和计算机科学技术的不断进步，以及物联网、虚拟现实和人工智能等技术的广泛应用，消费者对可穿戴服装的功能提出了更高的需求：人们不仅希望这些设备具备基本的保护功能，还期待它们能够轻巧舒适地融入日常生活之中。让可穿戴服装在具备健身追踪、健康监测等基础功能的同时，拥有个性化特点以及不亚于传统服装的美观性和舒适性。然而，智能服装和电子纺织品的发展仍面临诸多挑战。首先，电子纺织品需要兼具透气性和耐洗性，并且能够与传统的纺织制造工艺兼容。其次，这些可穿戴设备必须能够承受拉伸、扭曲和弯曲等复杂变形。在物联网时代，设备的电力需求也显著增加，但由于使用场景的限制，这些设备无法承载过重的电源，频繁充电又成为一大难题，阻碍了其广泛应用。受电池寿命、重量、刚性以及健康和环境问题的限制，如何为可穿戴设备提供高效电源已成为关键挑战。

摩擦纳米发电机（TENG）在为可穿戴设备供电和传感领域备受关注，并因其成本低、环保且采用无毒材料的优势，被视为绿色可持续能源的代表，TENG在自供电健康传感器和运动传感等领域展示了良好的应用前景。然而，早期的TENG多采用平面聚合物薄膜作为摩擦电层，大部分用于人体运动检测和健康监测的设备呈现软平面形式。尽管这些结构在概念验证阶段具有重要意义，但在实际应用中仍存在不足。低透气性使得设备的舒适度低于传统纺织品，覆盖在织物上的薄膜也破坏了织物的质感与柔韧性。为了实现真正意义上的可穿戴电子设备，TENG纤维的发展亟需进一步推进。具体而言，TENG纤维应以接近传统服装的形态呈现，同时具备足够的能量收集能力。这项技术能够利用接触电动和静电感应，将人体运动等低频条件下的机械能转化为电能，展现出巨大的应用潜力。因此，优化TENG纤维的设计和制造工艺，对于推动电子纺织品未来发展的具有重要意义。

亮点Highlights:

• 同轴结构的TENG纤维通过直写法成功制备，这不仅展现了其在智能可穿戴纺织品和服装生产中的简便性，还体现了其可扩展性。

• 单根仅有一厘米长的纤维，经过轻轻拍打后，能够产生高达8 V的开路电压，相当于同时驱动4到5个发光二极管。

• 本文中所制备的纤维具有卓越的机械性能，能够承受约874%的应变而不易断裂，适用于各种可穿戴应用。

• 本文中所制备的纤维不仅能够利用传统的织造技术编织成手套和袜子等衣物，还能结合机器学习技术，识别不同的运动模式，在可穿戴技术领域具有广泛的应用前景。

文章解读

在这项研究中，我们基于单电极模式的TENG机制，提出了一种新的同轴纤维设计。该设计使用氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）掺杂硅橡胶作为外壳层，与皮肤接触作为摩擦正极。内芯电极则由多壁碳纳米管（MWCNT）掺杂硅橡胶构成，采用直接墨水写入法进行制备。这些纤维十分环保，非常稳定，可洗涤，高度可拉伸，并且能够通过注射泵大规模生产。制备好的同轴TENG纤维还能够编织成具有不同图案的织物，作为自供电传感器、能量收集纺织品和运动模式监测设备使用。这些应用场景突显了TENG纤维在实际应用中的多功能性和适应性，表明其在可穿戴技术、健康监测及物联网等领域的广泛前景。

图1.同轴纤维结构的方案和工作原理。

文章将同轴纤维编织成不同面积织物，并展示了其拉伸、弯曲和扭转的柔韧性。在纤维式TENG中，拉伸性和产生的功率密度是评估其性能的两个关键参数，拉伸性决定了材料在实际应用中的适用性和舒适度，而功率密度则直接影响设备的能量收集能力和工作效率。文章对近年来几种基于织物或基于纤维的物体来比较。所报道的同轴纤维织物的拉伸性能够达到874%，功率密度能够达到1.794 μW/cm2，在应变和功率密度方面均处于领先水平，研究还探讨了3×3 cm²编织织物对不同电容值（2.2-47 μF）的充电的效果，并展示了不同外部负载下的输出电压和电流，进一步验证了这种织物在能量收集方面的应用潜力。

图2.不同面积织物的照片和电学性能。

文章展示了同轴纤维在可穿戴服装中的应用，强调其柔韧性和可拉伸性。这些特性使得同轴纤维能能够编织成可穿戴设备，并作为自供电传感器监测人体运动。通过将TENG纤维编织成手套和袜子，可穿戴设备在使用时提供了更高的舒适度，还能够区分某些身体动作，在现代医疗保健系统中可以帮助记录一个人的运动状况和身体健康。此研究为开发高效的可穿戴监测设备提供了新的思路和应用方向。

图3.纤维式TENG的应用：编织成可穿戴设备并监测人体运动。

文章探讨了利用深度学习算法识别由同轴纤维编织的手套和袜子产生的不同动作信号的有效性。经过训练，算法能够准确识别两种可穿戴设备的运动模式，表现出较好的准确性和稳定性。实验结果表明平均识别准确率可达约96%。这表明基于同轴纤维的织物在可穿戴智能传感器中具有广泛的应用潜力。

图4. 基于深度学习的实时运动模式监测系统设计。

读后感:

文章研究开发了一种高度可拉伸的TENG同轴纤维，该纤维能承受高达874%的拉伸应变，并具备优异的能量收集能力。利用中国传统编织技术，可以将该同轴纤维制作成织物，且所得织物可根据需要切割和深加工成不同尺寸的服装。本文使用同轴纤维编织成手套和袜子，穿戴在人体身上后不仅可以产生高电压，点亮一定数量的LED灯，还能够结合机器学习识别两种可穿戴设备的运动模式。这种同轴纤维及其编织的织物在快速发电和人体运动监测的可穿戴设备应用中展现出巨大的潜力。然而，目前纤维式TENG仍面临多个挑战，包括输出功率和效率较低，集成性不足，材料磨损和性能衰退。这些问题亟需进一步的研究和创新，以实现更高效和可靠的应用。

作者简介:

方涛，现为上海科技大学信息科学与技术学院硕士研究生。目前的主要研究方向为智能纤维、电子皮肤传感器、可穿戴电子器件的制备与特性研究。

田江涛，现为上海科技大学信息科学与技术学院博士研究生。目前的主要研究方向为超表面器件、电子皮肤、柔性传感器等器件的设计与制备。

曹文翰，上海科技大学信息学院研究员、博导。2015年于复旦大学信息学院获得本科学位，2020年于美国波士顿大学获得博士学位。入选上海市海外高层次人才计划，主持国家自然科学基金等多项国家级项目，并担任全国纳米技术标委会低维纳米委员会委员、中国光学工程学会高级会员、中国通信学会第一届太赫兹通信委员会委员、中国仿真学会集成微系统建模与仿真专委会第二届委员会委员。他的研究领域主要包括柔性电子器件、软体机器人、太赫兹超表面器件、多层级微纳传感器件等。研究论文以第一作者或通讯作者发表在Nature Communications、Nano Letters、Advanced Science、Laser & Photonics Reviews等学术期刊上。授权美国专利1项，授权国家发明专利3项。担任中国激光杂志社Chinese Optics Letters青年编委、《红外与毫米波学报》青年编委、《无线电通信技术》青年编委。

基金支持:

国家自然科学基金（62375172、62205204）

【文献链接】

T. Fang, J. Tian, W. Cao. Highly Stretchable Carbon-Based Triboelectric Nanogenerator Textiles Woven Using Coaxial Fibres via Direct Ink Writing. Wearable Electronics, 2024

https://doi.org/10.1016/j.wees.2024.09.003.