王中林院士團隊一天2篇《AFM》

2021年6月19日，中科院北京納米能源所王中林院士團隊同一天在材料領域著名期刊《Adv. Funct. Mater.》上在線發表了兩篇關於摩擦納米發電機（TENG）的研究成果。

其中，一項工作涉及基於TENG的全納米纖維自供電電子皮膚接口平臺，可以實現人體實時呼吸監測，並用於阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合徵 (OSAHS)的診斷；另一項工作涉及基於新型的聲驅TENG，可以收集聲音的能量，並提出了一種自供電的環境監測系統（FSEMS），以驅動商用無線傳感器節點，並藉助NB-IoT技術實現遠距離數據傳輸。這兩項工作對於推動基於TENG的微納能源在生理健康檢測和物聯網領域的商業化應用具有重要意義。

1. AFM：基於TENG的全納米纖維自供電電子皮膚，用於實時呼吸監測和呼吸暫停低通氣綜合徵診斷系統

人體呼吸是人體不可或缺的生理行爲，是評價健康狀況，評估個人健康或疾病進展的關鍵特徵。合理監測呼吸狀態對於預測健康問題至關重要，例如阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合徵 (OSAHS)、哮喘等嚴重的呼吸疾病， 不僅會導致呼吸衰竭，而且很難預測，甚至幾分鐘內就會危及生命。因此，實時和持續監測呼吸活動對於識別或預測高危情況甚至挽救生命非常重要。然而，開發一種方便、靈敏度高、製作簡單、佩戴舒適的實時呼吸監測和睡眠呼吸檢測系統仍然是一個巨大的挑戰。

受電子皮膚（e-skins）的啓發，中科院北京納米能源所王中林院士和吳治嶧研究員團隊報道了一種簡單且低成本的策略，開發出基於摩擦納米發電機 (TENG) 的透氣、高度敏感和自供電的全納米纖維電子皮膚（SANES），用於阻塞性呼吸系統的實時呼吸監測和診斷和預防，用於實時呼吸監測和阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合徵 (OSAHS) 診斷。

研究亮點：

1. 研究人員通過簡單的靜電紡絲策略開發出一種基於TENG的SANES，其中表面沉積 Au 電極的電紡聚酰胺 66 (PA 66) 納米纖維作爲頂部帶電層，沉積 Au 電極的聚丙烯腈 (PAN) 納米纖維作爲底部帶電層。

2. 所製備的SANES具有微納米分層多孔結構，爲接觸帶電提供了高比表面積，併爲熱溼傳遞提供了多個纖維間毛細管通道，從而賦予SANES良好的透氣性，較高的壓力靈敏度（0.217 kPa-1），增強的功率輸出以及振動能量收集和檢測的能力。

3. 在 3 Hz 加載頻率和 10 N 施加力下，SANES 可實現 420 V 的開路電壓和≈330 mW m-2 的峰值功率密度，可點亮數百個 LED 併爲各種商用電容器充電。同時，SANES還表現出優異的工作穩定性和良好的透氣性，能夠實現能量自主和準確的實時細微呼吸監測。

4. 研究人員進一步開發了穩定性好、準確度和可靠性高的呼吸監測系統和阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣診斷系統，以預防OSAHS的發生。

這項工作揭示了基於TENG的自供電全纖維電子皮膚在在可穿戴醫療電子和個人健康監測方面的巨大潛力，有望爲實時呼吸監測和睡眠呼吸疾病臨牀檢測開闢一條新的實用途徑。

參考文獻：

Peng, X., Dong, K., Ning, C., Cheng, R., Yi, J., Zhang, Y., Sheng, F., Wu, Z., Wang, Z. L., All-Nanofiber Self-Powered Skin-Interfaced Real-Time Respiratory Monitoring System for Obstructive Sleep Apnea-Hypopnea Syndrome Diagnosing. Adv. Funct. Mater. 2021, 2103559.

https://doi.org/10.1002/adfm.202103559

2. AFM：基於新型聲驅TENG的通用電源管理策略及其在全自供電無線系統中的應用

隨着 5G 和物聯網 (IoT)技術的高速發展，萬物互聯的時代即將來臨。爲了滿足物聯網的能源需求，如何爲大量分佈式物聯網節點供電，引起了人們的極大關注。

摩擦納米發電機（TENG）在材料選擇的多樣性、環境友好性和成本效益方面具有獨特的優勢，有望成爲自供電物聯網節點的能量來源，對於實現無線通信應用至關重要。然而，物聯網節點組網和數據傳輸時的功率需求遠高於TENG的平均功率，對能源管理提出了更高的要求。因此，數萬億個物聯網節點的供電仍然是一個嚴峻的挑戰，而合理的電源管理方案對於構建基於TENG的完全自供電系統具有重要意義。

鑑於此，中科院北京納米能源所王中林院士團隊聯合河南大學鄭海務教授和王自法教授團隊受刺繡環的啓發，開發出一種沒有亥姆霍茲諧振腔的新型 TENG 用於收集聲能。同時，基於該新型聲驅TENG、專門設計的電源管理電路和溫溼度計，研究團隊進一步設計出一種完全自供電的環境監測系統（FSEMS），以驅動商用無線傳感器節點，藉助NB-IoT技術實現遠距離數據傳輸，爲TENG在物聯網領域的廣泛應用奠定了堅實的基礎。

研究亮點:

1. 新型的聲驅TENG（EH-TENG）可以收集聲音的能量，在在170 Hz的諧振頻率下，可以分別產生高達500 V的VOC和124 µA的ISC。在鋼琴和絃的驅動下，EH-TENG可以同時點亮55個綠色LED，並持續爲數字計算器供電。

2. 研究人員提出了一種使用低成本電子器件和商用IC相結合的通用電源管理方案（PMS），它可以有效地調節TENG的輸出模式，並可以爲商用低功耗無線傳感器節點供電，成功驅動商用窄帶物聯網（NB-IoT）無線節點，實現週期性溫溼度數據採集和傳輸。

3. 此外，爲了驗證 PMS 的通用性，研究人員採用相同策略製備的接觸分離垂直 TENG 和風驅動滑動 TENG ，併成功驅動基於藍牙技術的電開關和溫溼度採集系統，表明PMS具有出色的通用性和普適性。

總體而言，這項工作爲TENG在局部和廣域低頻物聯網領域的應用提供了一種新的解決方案，解決了TENG連接商用集成電路（IC）的問題，使其能夠以低功耗驅動更多商用設備。同時，PMS的設計思路可以爲TENG專用能量管理IC的進一步設計提供有價值的參考，對於推動基於TENG的微納能源的商業化應用具有重要意義。

參考文獻：

Wang, Z. X., Wu, Y. H., Jiang, W. B., Liu, Q. Y., Wang, X. B., Zhang, J. W., Zhou, Z. Y., Zheng, H. W., Wang, Z. F., Wang, Z. L., A Universal Power Management Strategy Based on Novel Sound-Driven Triboelectric Nanogenerator and Its Fully Self-Powered Wireless System Applications. Adv. Funct. Mater. 2021, 2103081.

https://doi.org/10.1002/adfm.202103081

來源：高分子科學前沿

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