基于回收聚酰胺66（PA66）的高灵敏度柔性摩擦电纳米发电机传感器，用于监测足球运动员下肢训练情况

《Materials Research Bulletin》：High-sensitivity flexible triboelectric nanogenerator sensor based on recycled PA66 for the monitoring of soccer player lower limb training

高效可回收摩擦纳米发电机传感器在足球训练监测中的应用研究，采用废弃汽车安全气囊回收尼龙66材料制备多层级柔性传感器，实现0-20N负载范围内梯度灵敏度（低载7.48V/N，高载32.36V/N），响应时间91ms且经过万次循环测试稳定性良好，集成CNN算法对四类足球动作识别准确率达97.5%。

　　这项研究提出了一个创新的解决方案，以应对现代竞技体育对运动员运动监测的高要求。传统可穿戴设备在灵敏度和材料选择上存在局限，这不仅影响了运动数据的采集精度，也对环境造成了负担。为了克服这些问题，研究团队开发了一种基于回收尼龙66（PA66）的新型高灵敏度摩擦纳米发电机传感器（PN-Sensor）。这种传感器具有多层柔性结构，能够在广泛的负载范围内实现精准的运动检测，并通过集成蓝牙传输和多模态分析技术，为足球训练提供实时监控能力。此外，该传感器还展现出良好的环境兼容性，为资源的循环利用开辟了新的途径。

研究背景指出，运动员的日常训练水平对他们的竞技状态和比赛表现具有决定性影响。随着智能体育的发展，可穿戴电子产品被广泛用于实时追踪和记录人类活动，这些设备通常集成了先进的传感器和数据分析算法。系统化、科学化的传感系统在提升运动数据采集与分析的准确性方面发挥了关键作用，成为推动竞技体育科学化发展的重要技术手段。然而，传统的可穿戴传感设备在使用过程中存在一些不足。首先，它们往往增加了运动员的负担，可能影响训练效果。其次，其监测灵敏度通常难以满足专业需求，无法提供高质量的反馈，以帮助运动员优化训练。最后，多数可穿戴设备的制造材料缺乏环保性，通常需要昂贵的采购或高成本的加工过程，这不仅造成资源浪费，也带来了环境污染问题。因此，开发兼具高灵敏度和良好环境兼容性的传感技术与设备，成为推动智能体育进步的重要课题。

摩擦纳米发电机（TENG）因其广泛的材料适用性，被视作智能体育领域极具潜力的技术之一。TENG能够将机械能转化为电能，其独特的发电机制使其适用于多种运动场景。例如，已有研究报道了一种基于3D打印的柔性拱形TENG传感器，该传感器对弯曲和扭转动作具有高灵敏度，能够在不干扰运动员活动的情况下，实现对运动姿态的精准监测。另一项研究则开发了一种垂直石墨烯传感器，能够采集乒乓球运动中手指的触觉信号，帮助运动员分析自身技术习惯并获得科学的训练建议。此外，还有一种基于抗冻纳米复合水凝胶的自供电传感器，为冰壶比赛中的违规行为检测提供了智能化手段。这些研究展示了TENG在运动监测中的广阔前景，同时也揭示了其在提升运动表现、优化训练方法方面的潜力。

然而，目前TENG的制造材料多依赖于高成本采购或复杂加工工艺，这不仅限制了其经济可行性，也增加了资源消耗和环境污染的风险。这与可持续发展的核心理念相悖。因此，本研究将目光投向了那些对环境构成威胁的废弃物，探索其高价值利用的可能性。汽车安全气囊作为现代汽车的重要组成部分，其使用寿命有限，大量退役气囊成为废弃物。这些气囊的主要材料是尼龙66（PA66），它具有良好的化学稳定性，但在自然环境中降解需要数百年，对生态系统造成长期压力。尽管如此，PA66在机械性能、耐磨性和抗化学腐蚀方面表现出色，这使其成为一种理想的材料，尤其在需要高灵敏度和稳定性的传感设备中。基于这一特性，本研究尝试将回收的PA66材料用于制造高性能的TENG传感器，从而实现资源的循环利用，并推动可持续体育技术的发展。

PN-Sensor的结构设计采用了多层柔性结构，使得其在保持轻便性的同时，具备良好的机械适应性和环境稳定性。研究团队通过特定的回收和处理技术，从退役汽车安全气囊中提取PA66材料，并将其与聚乙二醇（PEO）溶液混合，再通过气流纺纱技术制备成纤维膜。这种PA66/PEO纤维膜作为PN-Sensor的正极摩擦材料，而聚四氟乙烯（PTFE）纤维膜则作为负极材料。实验结果表明，由回收PA66制成的PN-Sensor在电气输出性能方面表现出色，具有较高的稳定性和灵敏度。特别是在负载测试中，该传感器在0–10 N的低负载范围内实现了7.4837 V/N的灵敏度，而在10–20 N的中高负载范围内，灵敏度进一步提升至32.3558 V/N。这种梯度灵敏度特性使得PN-Sensor能够适应不同强度的运动动作，从而提供更加精准的监测数据。

为了进一步提升PN-Sensor的应用价值，研究团队将其集成到足球运动员的下肢关键关节，如髋关节、膝关节和踝关节，用于实时监测其运动状态。通过蓝牙传输技术，传感器能够将采集到的数据快速发送至分析系统。此外，研究团队还开发了一套基于卷积神经网络（CNN）的运动姿态识别系统，该系统能够准确分类四种特定的足球动作，其识别准确率达到97.5%。这一成果不仅为足球训练提供了高精度的监测手段，也展示了PN-Sensor在运动分析中的巨大潜力。相比传统的电池供电传感器，PN-Sensor能够减少对电池的依赖，降低能源消耗，同时避免了电池废弃后对环境的污染。

PN-Sensor的成功研发，不仅在技术层面实现了突破，也在环境保护和资源再利用方面具有重要意义。通过回收和再加工退役汽车安全气囊中的PA66材料，该传感器在实现高性能的同时，有效减少了废弃物对环境的影响。这一创新方法将废弃物转化为有价值的资源，为实现资源循环利用提供了新的思路。此外，该研究还表明，通过合理设计和材料选择，TENG技术能够克服传统传感设备的局限，成为智能体育监测领域的重要工具。

在实际应用中，PN-Sensor展现出良好的适应性和灵活性。其轻量化设计不会对运动员的训练造成额外负担，而高灵敏度则能够捕捉到细微的运动变化，为教练和运动员提供更加精准的数据支持。同时，该传感器的快速响应时间（91毫秒）和出色的耐用性（在10,000次循环测试后信号偏差极小）也保证了其在高强度训练和比赛中的稳定性。这些特性使得PN-Sensor不仅适用于足球训练，还可能在其他体育项目中发挥重要作用，例如篮球、田径或体操等。

从更广泛的角度来看，PN-Sensor的研发代表了可持续发展与智能技术相结合的一种创新趋势。在当前全球范围内，资源浪费和环境污染问题日益严重，而科技创新则为解决这些问题提供了新的可能性。通过将废弃材料重新应用于高性能传感设备，PN-Sensor不仅实现了资源的再利用，还为环保技术的发展贡献了力量。此外，该研究还为未来智能体育设备的开发提供了重要的技术参考，有助于推动体育科技向更加绿色、智能和高效的方向发展。

本研究的成果也具有重要的经济和社会价值。一方面，利用回收材料制造传感器可以降低生产成本，提高设备的经济可行性；另一方面，该技术的推广有助于减少废弃物的产生，缓解环境压力，提高社会对可持续发展的认知和支持。随着智能体育的不断发展，PN-Sensor的应用有望在更多领域得到拓展，例如康复训练、运动康复、以及体育教育等。此外，该技术还可能应用于其他需要高精度运动监测的场景，如虚拟现实（VR）训练系统、智能健身设备等，为未来的科技产品提供新的发展方向。

研究团队在本项目中也强调了跨学科合作的重要性。从材料回收到传感器设计，再到数据处理与运动识别，整个研究过程涉及材料科学、电子工程、人工智能等多个领域。这种多学科融合的模式，不仅提升了研究的深度和广度，也为未来类似研究提供了参考范式。此外，研究团队还得到了来自国家自然科学基金、国家重点研发计划以及广西重点研发项目等资金支持，这表明该研究在学术界和产业界均得到了高度认可。

最后，本研究的数据和实验结果已通过Mendeley Data平台进行公开，为后续研究提供了宝贵的资源。同时，研究团队也对相关实验设备的使用给予了充分的感谢，这体现了科研工作的开放性和合作精神。随着技术的不断进步和应用的逐步拓展，PN-Sensor有望成为智能体育监测领域的一项关键技术，为运动员的训练和比赛提供更加精准、高效和环保的支持。