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  太陽能電池、熱電設備和機械發電機等已知技術可以從環境中獲取能量，為自給系統提供清潔能源。 然而，這些能量收集具有特定的環境要求，限制了它們的部署位置以及連續能源生產的潛力。 環境濕度無處不在的波動提供了另一種選擇。 但是，由于缺乏持續的轉換機制，現有的基于水分的能量收集技術只能在周圍環境中產生間歇性、短暫（少于 50 秒）的能量爆發。

  認識到這些限制，南京理工大學馮章啟課題組開發了一種機電耦合和濕度驅動功能二合一的單層膜，可以從環境濕度波動中產生持續的電能輸出，并且這一人體濕度響應所激發輸出的脈沖電信號亦可以實時地反饋人精神狀態的生物電子信息，這一研究為可穿戴濕度發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。相關研究近期以題為“Power Generation from Moisture Fluctuations Using Polyvinyl Alcohol-Wrapped Dopamine/Polyvinylidene Difluoride Nanofibers”發表在雜志《Small》上。

圖1. 機電耦合和濕度驅動二合一單層膜的微觀結構，及其在人體情緒波動誘發精神出汗情況下發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計策略。與傳統的雙層致動器不同，本工作選擇了單層的 PVA@PVDF/DA納米纖維膜（NFs）作為濕度致動器驅動的壓電發電機的有效組件。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動的二合一 PVA@PVDF/DA NFs 顯示出優異的穩定性并避免了潛在的分層風險。單層膜一方面充當濕度執行器，從環境濕度的波動中提取化學勢能以執行機械功。另一方面，它還被同步用作機電耦合裝置，將這種機械能轉化為電能，從而間接地從環境水分中發電。該單層致動膜能夠具有超高的濕度波動靈敏度。在檢測環境濕度的細微波動方面表現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的水分波動轉化為電能。與其他基于水分的能量收集策略不同，該濕度致動器驅動的壓電發電機設備（HAPG）可以從環境水分中持續地收集電能。

  更為重要的是，該單層膜亦可以通過精神出汗激發的皮膚周圍環境濕度變化反向追蹤人精神狀態的變化，例如，緊張、憤怒、害怕、活躍思維等，這一功能的實現為人體精神狀態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絡傳輸，為未來人類健康檢測與精神狀態分析等可穿戴設備的開發提供了一種行之有效的方法和物質組件。

圖2. PVA@DA/PVDF NFs對周圍環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之間的距離展現出輸出電壓和環境濕度波動呈線性關系。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）生理自我調節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） 迷走神經興奮發生和傳遞的總時間，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、東部戰區總醫院、同濟大學等多個單位的協助下共同完成了人體應用的理論評估和臨床醫學評價。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