张青红：应用于穿戴式人体姿态监测的全纤维压电-摩擦复合纳米发电机

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织物由于其良好的拉伸性、柔韧性以及穿戴舒适性，成为材料科学和电子技术等跨学科领域研究中非常热门的器件基底材料。近年来，智能织物成为器件由“可戴”飞跃为“可穿”的奠基石。随着智能织物的快速发展，织物基可穿戴纳米发电机的研究受到越来越多的关注。相关研究工作已经取得了较大进展，但是织物基可穿戴纳米发电机在实际应用中依然存在着难以兼顾功能性、穿戴舒适性和高性能输出的缺点，制约了其在更广泛领域中的应用。

近日，东华大学张青红教授课题组、电子科技大学张晓升教授课题组、瑞士洛桑联邦理工大学Juergen Brugger教授课题（共同通讯作者）组合作提出了一种织物基可穿戴摩擦-压电复合纳米发电机(Tribo-piezoelectric nanogenerators, TPNG)，不仅具有优良的输出性能还能够对人体动作实现自供能检测。相关研究成果以“All-fiber hybrid piezoelectric-enhanced triboelectric nanogenerator for wearable gesture monitoring”为题，发表于纳米科学技术领域重要期刊Nano Energy上，博士研究生郭隐犇为论文第一作者。该工作在导电织物基底上采用静电纺丝的方法制备蚕丝蛋白纳米纤维和聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维构成TPNG的两极，这种纤维膜具有良好的透气性，大大增加了器件的可穿戴舒适性。得益于聚偏氟乙烯优良的压电特性，论文作者们通过对器件工作机理的深入理论分析，优化摩擦电和压电的相互关系，得到相互增强的输出性能。此外，该TPNG具有两种工作模式(分离模式和集成模式)，并分别进行了输出性能测试。在分离模式中，TPNG最高的输出电压、电流和功率分别达到500 V、 12 μA和0.31 mW/cm2。在集成模式时，TPNG可以穿在身上，对人体不同的动作输出不同的电信号，达到人体动作识别的目的。此外，论文作者们将器件与一种基于微悬臂的MEMS开关电路连接，设计实现了一种自供能的人体跌倒警报系统。当穿戴者跌倒时，警报系统会立即给预先设置的接收手机发出警报，使其能得到及时的救助。因此，这种智能织物器件在自供能可穿戴人体健康监测领域具有重要应用前景。