工程化Janus纳米纤维界面用于同步摩擦电增强与穿戴舒适

《Small Methods》：Engineering Janus Nanofiber Interfaces for Simultaneous Triboelectric Enhancement and Wearable Comfort

　　

可穿戴摩擦电纳米发电机（TENG）通过感知人体运动和生理信号实现自供电健康监测。然而，在皮肤/器件界面工作时通常会因出汗而受损。本文提出一种湿导Janus双层TENG（MW-JBT），将定向导湿与介电工程化电纺纳米纤维相结合。该Janus双层膜集成了摩擦负性疏水聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）/锆钛酸钡-银核壳纳米颗粒（PVDF-HFP/BZT-Ag）纳米复合层与亲水聚氨酯（PU）层。在该架构中，PVDF-HFP/BZT-Ag侧用作电荷产生界面，其中BZT-Ag核壳纳米颗粒促进介电极化和电荷保持，而PU侧促进界面湿气去除。不同于阻断湿气渗透的常规防水TENG，非对称PVDF-HFP/PU架构建立了毛细力驱动的湿气路径，可在4秒内主动去除摩擦电表面的界面汗液。优化后的MW-JBT在100 N和4 Hz下实现5.26 μA和372 V的峰峰值输出，最大功率密度为17 W m^?2。与无线STM32模块和Minimal RNN分类器集成到足底传感系统后，MW-JBT跌倒检测准确率达88.5%。这项工作提供了一种界面工程策略，用于构建兼具自供电传感与穿戴舒适性的无线传感器，可实现家庭健康监测和康复监控场景。

随着人口老龄化加剧，跌倒已成为老年人受伤和功能衰退的主要原因。可穿戴摩擦电纳米发电机（TENG）通过感知人体运动和生理信号实现自供电健康监测，具有轻量、免电池等优势。然而，皮肤/器件界面常受环境湿度和汗液影响，水吸附和离子侵入导致界面电荷屏蔽和泄漏电流，降低电输出；运动或炎热天气出汗还会引起皮肤不适甚至疾病。传统封装可抑制湿气但牺牲透气性，简单疏水涂层仅延迟润湿而不排液，使穿戴舒适性与电稳定性难以兼顾。纤维平台因本身柔顺且具有微纳孔隙，可促进气体交换和快速导湿，为主动管理界面湿气同时保留摩擦电性能提供了基础。已有研究主要分两类：超疏水/低表面能涂层防润湿，或通过表面能梯度实现单向导湿，但将湿气调控与介电工程结合以增强电荷密度并保持性能稳定的集成方法仍较少，系统级验证也有限。因此，研究人员提出一种双管齐下策略：将定向导湿与介电工程化摩擦电层结合。他们构建了疏水PVDF-HFP/BZT-Ag纳米复合层与亲水PU层的双层纤维结构，其中BZT-Ag核壳纳米颗粒利用Maxwell-Wagner-Sillars（MWS）界面极化增强电荷积累，PU层则通过毛细力将汗液单向排出。优化后的器件在4秒内移除界面汗液，并输出5.26μA和372V，功率密度达17 W m^?2。进一步集成STM32无线模块与Minimal RNN分类器，足底传感系统对跌倒检测准确率达88.5%。该工作为兼顾自供电传感和穿戴舒适性的无线健康监测器件提供了纤维到系统的界面工程新策略。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：电纺丝技术制备纯PVDF-HFP、不同含量BZT-Ag复合PVDF-HFP纳米纤维及含亲水剂PU纤维，并通过顺序电纺构建不同厚度比的Janus双层膜；采用甘油还原法合成BZT-Ag核壳纳米颗粒；利用SEM、TEM、HRTEM、SAED、EDS表征形貌与微观结构，XRD和FTIR分析晶相，LCR仪表征介电常数和AC电导率，接触角测量润湿性，并测试水蒸气透过率、蒸发率和弯曲长度；TENG电学测试采用线性电机平台在100 N、1–4 Hz条件下进行，通过负载匹配计算功率密度，并评估人工汗液和高湿稳定性；使用COMSOL Multiphysics对单电极模式进行有限元仿真；机器学习方面采用Minimal RNN+线性分类层，样本来自两名志愿者（68 kg男性和48 kg女性），每人进行100次20秒行走活动（70次正常步态、30次模拟跌倒），通过留一受试者（LOSO）协议评估性能。

研究结果如下：

2.1 电纺PVDF-HFP和PU纤维的形貌：SEM显示纯PVDF-HFP纤维无珠且直径集中于350–500 nm；随BZT-Ag含量增至7.5 wt%，纤维直径分布变宽并出现表面纹理；加入疏水剂后直径集中于450–750 nm。PU纤维在加入亲水剂后变细且更连通。PVDF-HFP层孔径大于PU层，形成有利于单向导湿的梯度。

2.2 BZT-Ag纳米颗粒的微观结构与界面分布：TEM/HRTEM/SAED和EDS确认了Ag壳层沉积于BZT核心表面，形成核壳结构；SAED同时显示PVDF-HFP β相和BZT、Ag的晶体衍射，说明纳米颗粒在电纺后保留晶相。BZT-Ag掺入促进了PVDF-HFP电活性β相形成。

2.3 PVDF-HFP复合纳米纤维的XRD、FTIR、介电性能与电导率：XRD和FTIR定量显示β相含量从纯PVDF-HFP的72.8%升至7.5% BZT-Ag+疏水剂样品的78.8%。介电常数和AC电导率随填料含量增加，7.5%+疏水剂样品最高且未达逾渗，归因于高介电BZT核与Ag壳形成的MWS界面极化。

2.4 润湿性调控与PVDF-HFP/PU Janus膜的定向导湿：PU膜水接触角（WCA）在3秒内从38°降至接近0°，PVDF-HFP膜90秒保持131°。当PVDF-HFP层在上、PU层在下且PU:PVDF-HFP厚度比≥3:1时，水滴在3–4秒内穿透并持续滴落，实现单向导湿。Janus膜水蒸气透过率为873.2 g m^?2 d^?1，水蒸发速率为0.36 g h^?1（棉的两倍），弯曲长度34 mm；经50次摩擦和多次洗涤后疏水性保持。

2.5 基于BZT-Ag核壳纳米颗粒PVDF-HFP纳米纤维垫的TENG电输出：在100 N、4 Hz下，随BZT-Ag含量增加，输出电流从纯PVDF-HFP的3.3 μA升至7.5%的9.7 μA，电压从75 V升至361 V；加入疏水剂后进一步达10.1 μA和388 V。表面电位衰减测试显示7.5%样品180秒后保留约81–82%初始电位，而纯PVDF-HFP仅保留17%。人工汗液浸泡24小时后，改性样品电压降15.8%，未改性样品降43.5%；80%相对湿度下改性样品保留75.1%电压和73.7%电流。最大功率密度达24 W m^?2。

2.6 基于PVDF-HFP/PU纳米纤维双层的TENG电输出：随PU层厚度占比增加，输出降低；PU:PVDF-HFP=3:1被选为平衡导湿与电输出的最优比例，在100 N、4 Hz下实现372 V和5.26 μA峰峰值输出，匹配负载70 MΩ时功率密度为17 W m^?2。

2.7 基于PVDF-HFP纳米纤维膜及PVDF-HFP/PU纳米纤维双层的TENG机理与仿真：COMSOL单电极模式仿真显示非对称电位分布，开路电压和电极感应电荷随分离距离增加而增大，10 mm时开路电压约93 V，感应电荷约15 pC，说明增大界面间隙增强静电感应。

2.8 基于自供电湿导Janus双层TENG（MW-JBT）传感器的深度学习方法无线跌倒检测：系统由单电极MW-JBT、STM32采集模块、蓝牙传输和Minimal RNN组成。正常行走产生步态同步的准周期双极脉冲（峰峰值0.4±0.1 μA），模拟跌倒时出现约1.6 μA的大幅不规则脉冲。LOSO评估下模型准确率88.5%，跌倒精确率87.8%，跌倒召回率86.7%，非跌倒召回率89.3%，宏F1为0.88。

讨论总结：BZT-Ag增强机制包括：促进PVDF-HFPβ相形成、提升介电常数和MWS界面极化、延缓表面电位衰减从而改善电荷局域化和保持。双层结构中，PVDF-HFP层既提供介电对比和电荷产生，又作为疏水层建立表面能梯度；较厚PU层提供毛细通道和Laplace压力梯度，实现单向导湿，同时仍保持17 W m^?2功率密度，综合性能优于单纯高输出但无导湿能力的复合膜。系统级验证表明轻量Minimal RNN能有效从摩擦电步态信号中区分跌倒与非跌倒事件。

研究结论翻译：本工作提出了一种纤维到系统的策略，通过将定向导湿与介电工程化电纺纳米纤维耦合，开发了一种湿导Janus纳米纤维双层TENG。该器件结合含7.5 wt% BZT-Ag核壳纳米颗粒的摩擦负性疏水PVDF-HFP纳米复合层与亲水PU层。纤维架构利用表面能对比和毛细路径将湿气从皮肤排出，同时保持电荷产生。在优化PU:PVDF-HFP厚度比为3:1时，界面湿气在4秒内移除。同时，该TENG实现了5.26 μA和372 V的优异电输出，功率密度达17 W m^?2。在材料设计之外，该复合膜与基于STM32的无线处理模块集成用于足底运动监测。轻量Minimal RNN结合线性分类层用于从摩擦电步态信号中区分跌倒和非跌倒事件，在LOSO评估下提供了初步跌倒检测能力。通过结合湿气管理、稳定摩擦电输出和紧凑时间推理，本工作为面向跌倒警报和康复应用的舒适、自供电可穿戴传感设备提供了实用途径。