基于麦克斯韦位移电流的自供电眼罩，用于人体能量采集和眼动监测

MEMS 2022-08-13 00:00

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研究背景

如今，在日常生活中，我们的健康面临着许多危险和威胁，越来越多的人受到亚健康或“亚健康“问题的困扰。随着人们保健意识的提高，各种医疗设备和保健器材也越来越多地进入市场。此外，对可穿戴医疗设备的需求也在增长。可穿戴医疗设备可以监测人体的生理和行为信号，并提供有效的辅助治疗。此外，它们还可以防止周围环境的伤害。因此，可穿戴医疗设备近年来发展迅速，引起人们的关注。市场上广受上班族追捧的眼罩可以在一定程度上缓解眼部疲劳，监测睡眠质量。此外，眼球运动监测主要使用嵌入在眼球追踪屏幕或眼镜中的高分辨率传感器。一些可穿戴传感器可以通过心肺耦合分析间接监测快速眼动。然而，这些监测方法都非常昂贵或复杂。在不影响现有功能的情况下赋予贴片更多的功能是值得研究的。

摩擦纳米发电机(TENGs)在清洁能源技术和智能传感方面有广泛的用途，可用于各种自供电系统，如传感器、电子学、机电学和机器人学。TENGs可以取代微或纳米系统中电池的使用，这可以使系统更小、更安全。TENGs还被开发用于可穿戴智能设备的各种功能，如可拉伸的智能设备和自我修复的智能设备。然而，聚合物材料的皮肤耐受性一直受到质疑。可拉伸的高分子材料具有活性分子力，在人体中不能被代谢掉。用皮肤友好的材料制作智能设备是目前的一个重要研究方向。此外，一些通过麦克斯韦位移电流的无线传输和无线传感器已被利用于自供电的无线统。

研究成果

即将推出的可穿戴式保健设备因其在监测、治疗和保护方面的应用潜力而获得了相当的关注。在此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队曹霞研究员组使用聚四氟乙烯与尼龙织物摩擦，开发了一种自供电的眼罩。由于摩擦起电层表面的过量电化，该眼罩可以保持稳定的静电场。所设计的摩擦纳米发电机(TENG)的输出功率密度可以达到约485 mW/m²，附加电阻为11 kQ²。此外，该眼罩的性能允许眼球运动监测。在摩擦层和集电极之间的垂直距离为20 mm时，最大电压可以达到80 V。不仅可以为潜在的可穿戴应用的数字手表供电，而且还可以集成到睡眠中监测眼球运动。这项工作提出了一种人体运动能量采集机制，可用于自供电的智能可穿戴健康设备和Maxwell位移电流无线传感器。相关研究以“Triboelectric Patch Based on Maxwell Displacement Current for Human Energy Harvesting and Eye Movement Monitoring”为题发表在ACS Nano期刊上。

研究亮点

1. 提出了一种基于麦克斯韦位移电流的自供电眼罩，用于人体能量采集和眼球运动监测。

2. 与带有金属电极层的TENG相比，所设计的无电眼罩能长期保持较高的表面电压，其电压可从约-0.21 kV提高到约-3.36 kV。

3. 该眼罩不仅可以采集人体运动能量，实现自供电功能，还可以监测睡眠时的眼球运动，用于可穿戴医疗设备。

图文导读

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.

总结与展望

综上所述，作者设计了一个用于收集人体运动能量以产生静电场的自供电眼罩。所设计的频率为4 Hz的垂直接触分离模式的纳米发电机的Voc为385 V，Jsc为62 μA，转移电荷为145 nC。此外，设计的纳米发电机可以为发光二极管和数字手表供电。聚四氟乙烯驻极体可以稳定地保持剩余电荷，这使得眼罩的静态场可以长期工作。与商业眼罩相比较，该工作中设计的眼罩在洗涤过程中具有很好的耐久性。在清洗之前和之后，眼罩中ICP刻蚀的PTFE 的表面电位几乎没有变化。在这项工作中，使用了普通的亲肤材料来制作眼罩，它在智能医疗、智能可穿戴设备和个性化医疗诊断方面有可行的应用。