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  太陽能電池、熱電設(shè)備和機械發(fā)電機等已知技術(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)境濕度無處不在的波動提供了另一種選擇。 但是，由于缺乏持續(xù)的轉(zhuǎn)換機制，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)。

  認識到這些限制，南京理工大學馮章啟課題組開發(fā)了一種機電耦合和濕度驅(qū)動功能二合一的單層膜，可以從環(huán)境濕度波動中產(chǎn)生持續(xù)的電能輸出，并且這一人體濕度響應所激發(fā)輸出的脈沖電信號亦可以實時地反饋人精神狀態(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時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. 機電耦合和濕度驅(qū)動二合一單層膜的微觀結(jié)構(gòu)，及其在人體情緒波動誘發(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。

  該研究報告了一種新型的二合一設(shè)計策略。與傳統(tǒng)的雙層致動器不同，本工作選擇了單層的 PVA@PVDF/DA納米纖維膜（NFs）作為濕度致動器驅(qū)動的壓電發(fā)電機的有效組件。高度對齊的核/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)，因此選作機電耦合元件，進而保證了對弱驅(qū)動變形的高靈敏度。由于 PVA 與 DA 上的親水基團之間有很強的界面吸附，因此可以通過簡單的吸濾將 PVA 殼引入 PVDF/DA NFs 的界面周圍。與其他雙層致動器相比，這種機電耦合和濕度驅(qū)動的二合一 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險。單層膜一方面充當濕度執(zhí)行器，從環(huán)境濕度的波動中提取化學勢能以執(zhí)行機械功。另一方面，它還被同步用作機電耦合裝置，將這種機械能轉(zhuǎn)化為電能，從而間接地從環(huán)境水分中發(fā)電。該單層致動膜能夠具有超高的濕度波動靈敏度。在檢測環(huán)境濕度的細微波動方面表現(xiàn)出高靈敏度和準確性，甚至可以將情緒波動的精神汗液而誘發(fā)的水分波動轉(zhuǎn)化為電能。與其他基于水分的能量收集策略不同，該濕度致動器驅(qū)動的壓電發(fā)電機設(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，這一功能的實現(xiàn)為人體精神狀態(tài)的檢測提供了另一有效途徑，可以應用于人類個體情緒信號的實時提取與網(wǎng)絡(luò)傳輸，為未來人類健康檢測與精神狀態(tài)分析等可穿戴設(shè)備的開發(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對周圍環(huán)境濕度波動的響應性能。a） 由周圍一滴水的濕度波動引起的PVA@DA/PVDF膜的單向移動的示意圖和快照。b） 在單向行走過程中PVA@DA/PVDF NFs的輸出電壓曲線，記錄了每次循環(huán)移動中的細微變形過程。c） PVA@DA/PVDF NFs在溫和的呼吸行為下感應濕度波動的示意圖。d） 由呼氣、打鼾和說話引發(fā)的PVA@DA/PVDF NFs輸出電壓曲線，以及與這些呼吸行為對應的波特性。黑色、紅色和藍色箭頭分別表示PVA@DA/PVDF NFs的吸附、應力反彈和水解吸過程。e） 當手掌在水平方向接近和離開薄膜時，通過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，所測電量越小。g） 手掌和PVA@DA/PVDF NFs之間的距離展現(xiàn)出輸出電壓和環(huán)境濕度波動呈線性關(guān)系。h） 不同外負載電阻下HAPG的電流、電壓和i）峰值功率。手掌皮膚含水量為50%，移動頻率為0.5Hz，垂直距離為5mm。j） 由HAPG充電時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，空氣相對濕度為43%。

圖3.從收集的電壓曲線中提取的個性化典型汗液阻尼振蕩曲線。a） 神經(jīng)反射弧誘導的個性化汗液分泌示意圖。b）身體應急響應和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間。e） 迷走神經(jīng)興奮發(fā)生和傳遞的總時間，以及特征峰之間的平均間隔時間。

  該研究在東南大學生物電子學國家重點實驗室、東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院、同濟大學等多個單位的協(xié)助下共同完成了人體應用的理論評估和臨床醫(yī)學評價。該研究獲得國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助。該論文第一作者博士生李通同學感謝江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新項目以及國家留學基金委的支持。

  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