王中林院士团队一天2篇《AFM》

2021年6月19日，中科院北京纳米能源所王中林院士团队同一天在材料领域著名期刊《Adv. Funct. Mater.》上在线发表了两篇关于摩擦纳米发电机（TENG）的研究成果。

其中，一项工作涉及基于TENG的全纳米纤维自供电电子皮肤接口平台，可以实现人体实时呼吸监测，并用于阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征 (OSAHS)的诊断；另一项工作涉及基于新型的声驱TENG，可以收集声音的能量，并提出了一种自供电的环境监测系统（FSEMS），以驱动商用无线传感器节点，并借助NB-IoT技术实现远距离数据传输。这两项工作对于推动基于TENG的微纳能源在生理健康检测和物联网领域的商业化应用具有重要意义。

1. AFM：基于TENG的全纳米纤维自供电电子皮肤，用于实时呼吸监测和呼吸暂停低通气综合征诊断系统

人体呼吸是人体不可或缺的生理行为，是评价健康状况，评估个人健康或疾病进展的关键特征。合理监测呼吸状态对于预测健康问题至关重要，例如阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征 (OSAHS)、哮喘等严重的呼吸疾病， 不仅会导致呼吸衰竭，而且很难预测，甚至几分钟内就会危及生命。因此，实时和持续监测呼吸活动对于识别或预测高危情况甚至挽救生命非常重要。然而，开发一种方便、灵敏度高、制作简单、佩戴舒适的实时呼吸监测和睡眠呼吸检测系统仍然是一个巨大的挑战。

受电子皮肤（e-skins）的启发，中科院北京纳米能源所王中林院士和吴治峄研究员团队报道了一种简单且低成本的策略，开发出基于摩擦纳米发电机 (TENG) 的透气、高度敏感和自供电的全纳米纤维电子皮肤（SANES），用于阻塞性呼吸系统的实时呼吸监测和诊断和预防，用于实时呼吸监测和阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征 (OSAHS) 诊断。

研究亮点：

1. 研究人员通过简单的静电纺丝策略开发出一种基于TENG的SANES，其中表面沉积 Au 电极的电纺聚酰胺 66 (PA 66) 纳米纤维作为顶部带电层，沉积 Au 电极的聚丙烯腈 (PAN) 纳米纤维作为底部带电层。

2. 所制备的SANES具有微纳米分层多孔结构，为接触带电提供了高比表面积，并为热湿传递提供了多个纤维间毛细管通道，从而赋予SANES良好的透气性，较高的压力灵敏度（0.217 kPa-1），增强的功率输出以及振动能量收集和检测的能力。

3. 在 3 Hz 加载频率和 10 N 施加力下，SANES 可实现 420 V 的开路电压和≈330 mW m-2 的峰值功率密度，可点亮数百个 LED 并为各种商用电容器充电。同时，SANES还表现出优异的工作稳定性和良好的透气性，能够实现能量自主和准确的实时细微呼吸监测。

4. 研究人员进一步开发了稳定性好、准确度和可靠性高的呼吸监测系统和阻塞性睡眠呼吸暂停低通气诊断系统，以预防OSAHS的发生。

这项工作揭示了基于TENG的自供电全纤维电子皮肤在在可穿戴医疗电子和个人健康监测方面的巨大潜力，有望为实时呼吸监测和睡眠呼吸疾病临床检测开辟一条新的实用途径。

参考文献：

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：基于新型声驱TENG的通用电源管理策略及其在全自供电无线系统中的应用

随着 5G 和物联网 (IoT)技术的高速发展，万物互联的时代即将来临。为了满足物联网的能源需求，如何为大量分布式物联网节点供电，引起了人们的极大关注。

摩擦纳米发电机（TENG）在材料选择的多样性、环境友好性和成本效益方面具有独特的优势，有望成为自供电物联网节点的能量来源，对于实现无线通信应用至关重要。然而，物联网节点组网和数据传输时的功率需求远高于TENG的平均功率，对能源管理提出了更高的要求。因此，数万亿个物联网节点的供电仍然是一个严峻的挑战，而合理的电源管理方案对于构建基于TENG的完全自供电系统具有重要意义。

鉴于此，中科院北京纳米能源所王中林院士团队联合河南大学郑海务教授和王自法教授团队受刺绣环的启发，开发出一种没有亥姆霍兹谐振腔的新型 TENG 用于收集声能。同时，基于该新型声驱TENG、专门设计的电源管理电路和温湿度计，研究团队进一步设计出一种完全自供电的环境监测系统（FSEMS），以驱动商用无线传感器节点，借助NB-IoT技术实现远距离数据传输，为TENG在物联网领域的广泛应用奠定了坚实的基础。

研究亮点:

1. 新型的声驱TENG（EH-TENG）可以收集声音的能量，在在170 Hz的谐振频率下，可以分别产生高达500 V的VOC和124 µA的ISC。在钢琴和弦的驱动下，EH-TENG可以同时点亮55个绿色LED，并持续为数字计算器供电。

2. 研究人员提出了一种使用低成本电子器件和商用IC相结合的通用电源管理方案（PMS），它可以有效地调节TENG的输出模式，并可以为商用低功耗无线传感器节点供电，成功驱动商用窄带物联网（NB-IoT）无线节点，实现周期性温湿度数据采集和传输。

3. 此外，为了验证 PMS 的通用性，研究人员采用相同策略制备的接触分离垂直 TENG 和风驱动滑动 TENG ，并成功驱动基于蓝牙技术的电开关和温湿度采集系统，表明PMS具有出色的通用性和普适性。

总体而言，这项工作为TENG在局部和广域低频物联网领域的应用提供了一种新的解决方案，解决了TENG连接商用集成电路（IC）的问题，使其能够以低功耗驱动更多商用设备。同时，PMS的设计思路可以为TENG专用能量管理IC的进一步设计提供有价值的参考，对于推动基于TENG的微纳能源的商业化应用具有重要意义。

参考文献：

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

来源：高分子科学前沿

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