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  太陽(yáng)能電池、熱電設(shè)備和機(jī)械發(fā)電機(jī)等已知技術(shù)可以從環(huán)境中獲取能量，為自給系統(tǒng)提供清潔能源。 然而，這些能量收集具有特定的環(huán)境要求，限制了它們的部署位置以及連續(xù)能源生產(chǎn)的潛力。 環(huán)境濕度無(wú)處不在的波動(dòng)提供了另一種選擇。 但是，由于缺乏持續(xù)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，現(xiàn)有的基于水分的能量收集技術(shù)只能在周圍環(huán)境中產(chǎn)生間歇性、短暫（少于 50 秒）的能量爆發(fā)。

  認(rèn)識(shí)到這些限制，南京理工大學(xué)馮章啟課題組開(kāi)發(fā)了一種機(jī)電耦合和濕度驅(qū)動(dòng)功能二合一的單層膜，可以從環(huán)境濕度波動(dòng)中產(chǎn)生持續(xù)的電能輸出，并且這一人體濕度響應(yīng)所激發(fā)輸出的脈沖電信號(hào)亦可以實(shí)時(shí)地反饋人精神狀態(tài)的生物電子信息，這一研究為可穿戴濕度發(fā)電和人生物電子信息的實(shí)時(shí)提取提供了可行的方法和物理組件。相關(guān)研究近期以題為“Power Generation from Moisture Fluctuations Using Polyvinyl Alcohol-Wrapped Dopamine/Polyvinylidene Difluoride Nanofibers”發(fā)表在雜志《Small》上。

圖1. 機(jī)電耦合和濕度驅(qū)動(dòng)二合一單層膜的微觀結(jié)構(gòu)，及其在人體情緒波動(dòng)誘發(fā)精神出汗情況下發(fā)電和提取情緒生物電子信息的示意圖。

  該研究報(bào)告了一種新型的二合一設(shè)計(jì)策略。與傳統(tǒng)的雙層致動(dòng)器不同，本工作選擇了單層的 PVA@PVDF/DA納米纖維膜（NFs）作為濕度致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的壓電發(fā)電機(jī)的有效組件。高度對(duì)齊的核/殼 PVDF/DA納米纖維已被證明具有較高的壓電輸出 (Advanced Materials, 2021 33(3):2006093；DOI: 10.1002/adma.202006093)，因此選作機(jī)電耦合元件，進(jìn)而保證了對(duì)弱驅(qū)動(dòng)變形的高靈敏度。由于 PVA 與 DA 上的親水基團(tuán)之間有很強(qiáng)的界面吸附，因此可以通過(guò)簡(jiǎn)單的吸濾將 PVA 殼引入 PVDF/DA NFs 的界面周圍。與其他雙層致動(dòng)器相比，這種機(jī)電耦合和濕度驅(qū)動(dòng)的二合一 PVA@PVDF/DA NFs 顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性并避免了潛在的分層風(fēng)險(xiǎn)。單層膜一方面充當(dāng)濕度執(zhí)行器，從環(huán)境濕度的波動(dòng)中提取化學(xué)勢(shì)能以執(zhí)行機(jī)械功。另一方面，它還被同步用作機(jī)電耦合裝置，將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而間接地從環(huán)境水分中發(fā)電。該單層致動(dòng)膜能夠具有超高的濕度波動(dòng)靈敏度。在檢測(cè)環(huán)境濕度的細(xì)微波動(dòng)方面表現(xiàn)出高靈敏度和準(zhǔn)確性，甚至可以將情緒波動(dòng)的精神汗液而誘發(fā)的水分波動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。與其他基于水分的能量收集策略不同，該濕度致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的壓電發(fā)電機(jī)設(shè)備（HAPG）可以從環(huán)境水分中持續(xù)地收集電能。

  更為重要的是，該單層膜亦可以通過(guò)精神出汗激發(fā)的皮膚周圍環(huán)境濕度變化反向追蹤人精神狀態(tài)的變化，例如，緊張、憤怒、害怕、活躍思維等，這一功能的實(shí)現(xiàn)為人體精神狀態(tài)的檢測(cè)提供了另一有效途徑，可以應(yīng)用于人類個(gè)體情緒信號(hào)的實(shí)時(shí)提取與網(wǎng)絡(luò)傳輸，為未來(lái)人類健康檢測(cè)與精神狀態(tài)分析等可穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了一種行之有效的方法和物質(zhì)組件。

圖2. PVA@DA/PVDF NFs對(duì)周圍環(huán)境濕度波動(dòng)的響應(yīng)性能。a） 由周圍一滴水的濕度波動(dòng)引起的PVA@DA/PVDF膜的單向移動(dòng)的示意圖和快照。b） 在單向行走過(guò)程中PVA@DA/PVDF NFs的輸出電壓曲線，記錄了每次循環(huán)移動(dòng)中的細(xì)微變形過(guò)程。c） PVA@DA/PVDF NFs在溫和的呼吸行為下感應(yīng)濕度波動(dòng)的示意圖。d） 由呼氣、打鼾和說(shuō)話引發(fā)的PVA@DA/PVDF NFs輸出電壓曲線，以及與這些呼吸行為對(duì)應(yīng)的波特性。黑色、紅色和藍(lán)色箭頭分別表示PVA@DA/PVDF NFs的吸附、應(yīng)力反彈和水解吸過(guò)程。e） 當(dāng)手掌在水平方向接近和離開(kāi)薄膜時(shí)，通過(guò)PVA@DA/PVDF NFs。產(chǎn)生電的示意圖。f） 在手掌和薄膜之間的不同工作距離(皮膚含水量：45%，工作頻率：≈0.5赫茲)，手掌離薄膜越遠(yuǎn)，所測(cè)電量越小。g） 手掌和PVA@DA/PVDF NFs之間的距離展現(xiàn)出輸出電壓和環(huán)境濕度波動(dòng)呈線性關(guān)系。h） 不同外負(fù)載電阻下HAPG的電流、電壓和i）峰值功率。手掌皮膚含水量為50%，移動(dòng)頻率為0.5Hz，垂直距離為5mm。j） 由HAPG充電時(shí)1μF電容器上的電壓。插圖是持續(xù)供電的電路圖。上述所有工作距離均指手掌與薄膜之間的垂直距離，空氣相對(duì)濕度為43%。

圖3.從收集的電壓曲線中提取的個(gè)性化典型汗液阻尼振蕩曲線。a） 神經(jīng)反射弧誘導(dǎo)的個(gè)性化汗液分泌示意圖。b）身體應(yīng)急響應(yīng)和c）生理自我調(diào)節(jié)引起的腦汗阻尼振蕩波形和特征峰。d） 特征峰之間的間隔時(shí)間。e） 迷走神經(jīng)興奮發(fā)生和傳遞的總時(shí)間，以及特征峰之間的平均間隔時(shí)間。

  該研究在東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院、同濟(jì)大學(xué)等多個(gè)單位的協(xié)助下共同完成了人體應(yīng)用的理論評(píng)估和臨床醫(yī)學(xué)評(píng)價(jià)。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。該論文第一作者博士生李通同學(xué)感謝江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目以及國(guó)家留學(xué)基金委的支持。

  論文信息：Power Generation from Moisture Fluctuations using Polyvinyl Alcohol-Wrapped Dopamine/Polyvinylidene Di?uoride Nanofibers. Tong Li, Fei Jin, Minghe Qu, Fan Yang, Jin Zhang, Tao Yuan, Wei Dong, Jie Zheng, Ting Wang and Zhang-Qi Feng*. Small, 2021, 2102550.

  DOI: 10.1002/smll.202102550

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102550

  下載：Power Generation from Moisture Fluctuations using Polyvinyl Alcohol-Wrapped Dopamine/Polyvinylidene Di?uoride Nanofibers