苏州大学孙旭辉&西交利物浦大学赵春等：柔性摩擦电贴片及其在远程医疗上的应用

Self-Assembled Porous-Reinforcement Microstructure-Based Flexible Triboelectric Patch for Remote HealthcareHao Lei, Haifeng Ji, Xiaohan Liu, Bohan Lu, Linjie Xie, Eng Gee Lim, Xin Tu, Yina Liu, Peixuan Zhang, Chun Zhao*, Xuhui Sun*, and Zhen Wen*

Nano-Micro Letters (2023)15: 109

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01081-x

1. 多孔-加强筋微观结构是通过硅橡胶粘附在聚氨酯海绵的多孔框架上自组装形成的，具有机械性能可调的优势。

2. 柔性摩擦电贴片在微小压力和较大机械刺激下都具有优异的性能，可用于监测脉搏波和足底压力。

3. 提出了一种用于实时生理信号监测的可穿戴医疗监护系统。

实现对生理信号的实时监测对于预防和治疗老年人的慢性病至关重要。然而，制备对弱生理信号和大机械刺激同时高度灵敏的低功耗可穿戴传感器仍然是一个挑战。苏州大学孙旭辉课题组等报道了一种基于多孔-加强筋微结构的柔性摩擦电贴片(FTEP)，用于远程健康监测。多孔-加强筋微结构是通过硅橡胶粘附在聚氨酯海绵的多孔框架上自组装而构建的，FTEP的机械性能可以通过硅橡胶稀释液的浓度进行调节。基于此方法制备的摩擦电压力传感，其灵敏度与具有固态无孔隙摩擦层的器件相比被有效提高了五倍，在0–5 kPa的压力范围内达到5.93 kPa⁻1。此外，FTEP具有高达50 kPa的宽检测范围，其在大压力下的灵敏度为0.21 kPa⁻1。多孔微观结构使FTEP对外部压力极为敏感，加强筋结构使该器件在较宽的检测范围内具有更大的变形极限。最后，文章提出了一种用于实时生理信号监测的可穿戴医疗互联网(IoH)系统的新概念，该系统可以为动态个性化医疗监测提供实时的生理信息。

I 柔性摩擦电补片(FTEP)的结构和机理模型

图1a为FTEP的结构示意图，其具有可压缩的多孔介电层。整个装置具有高度灵活性，可以贴在身体特定部位来获取生理信号(图1b)。FTEP受外力时可以将机械压力转换为电信号(图1c)，石墨烯和硅橡胶层之间的原子级电子云势阱模型可以很好地描述接触带电的过程(图1d)。为了提高FTEP的灵敏度并扩大其检测范围，在介电层中构建了多孔-加强筋微结构，选择具有天然多孔结构的PU海绵作为骨架(图1e)，硅橡胶粘附在框架上，起到加强筋的作用。图1f显示了硅橡胶稀释浓度为30%时多孔介电层的SEM图像。作者使用有限元分析(FEA)验证了加强筋微结构对多孔介质层机械性能的增强作用(图1g)。

图1. 柔性摩擦电贴片(FTEP)的结构和机理模型。FTEP的(a)结构和(c)等效电气模型的示意图；(b)附着在人体皮肤上的FTEP图片；(d)原子尺度电子云势阱模型描述了FTEP的接触分离过程；(e)未经硅橡胶稀释液处理以及(f)经30%硅橡胶稀释液处理的PU海绵的SEM图像(比例尺，100 μm)；(g)硅橡胶稀释度为30%的PU海绵的有限元分析结果。

II FTEP的压力传感性能和机械性能研究

图2a显示了由具有不同稀释浓度的多孔介电层组成的传感器的灵敏度曲线，发现具有30%稀释浓度的FTEP的灵敏度可以有效地提高五倍，在0-5 kPa的检测区域达到5.93 kPa⁻1，且在高达50 kPa的宽检测范围内维持0.21 kPa⁻1。通过建立FTEP的等效电容模型(图2b)与等效机械模型(图2c)，计算证明了较低的多孔摩擦层等效刚度系数有利于提高灵敏度。与纯PU海绵相比，30%硅橡胶稀释度的等效刚度系数变化不大(图2d)，为传感器的高灵敏度提供了力学基础。同时，由于硅橡胶相比于海绵电负性的增强，输出电压信号强度增加(图2e)，使得器件兼顾了高灵敏度与高信噪比。FTEP显示出优异的压力检测分辨率(图2f)，屏蔽层削弱了对外部干扰信号的影响(图2g)，其最低检测极限为0.15 Pa(图2h)，可以感知水滴引起的微小压力变化(图2i)。

图2. FTEP的压力传感性能和机械性能。(a)不同比例硅橡胶的FTEP灵敏度曲线；(b)传统器件和FTEP的等效电容模型；(c)FTEP的等效机械模型；(d)具有不同比例硅橡胶的PU海绵的应力-应变曲线。(e)不同比例硅橡胶的FTEP在相同压力下电压曲线；(f)对垂直可变压力的实时响应；(g)对人手接近和压力的实时响应的比较；(h)由一块0.15 Pa的非常细的铝箔产生的FTEP的电压信号；(i)通过从2 cm高度连续滴落的几个水滴而产生的相对电压变化，其中插图是三个水滴下落时的局部放大图。

III FTEP对生理信号的实时动态监测

图3证明了FTEP对常见的人体生理信号的监测。通过将FTEP连接到志愿者的手腕上，可以成功地实时监测脉搏波信号(图3a)。FTEP还可以连接在用户的鼻子下面，从而可以通过检测呼吸过程中传感器表面上的气流引起的压力变化来实时监测呼吸状态(图3b)。图3c展示了对用户眨眼频率的实时监控来确定用户凝视迟钝的频率，从而为痴呆症等疾病提供早期预警。图3d显示了连接在用户喉咙上的FTEP，它可以准确地监测用户的吞咽动作。将FTEP连接在胸部还可以实时监测用户的心率，结果为78 bpm(图3e)。

图3. FTEP对生理信号的实时动态监测。(a)FTEP检测到志愿者的脉搏波；(b)呼吸信号包括由FTEP监测的呼吸频率和强度；(c)由眼角处FTEP监测的眨眼频率信号；(d)由喉咙上的FTEP监测的吞咽速率；(e)由胸部的FTEP监测的心率。

IV 医疗保健互联网(IoH)系统及其在门诊个性化医疗监测中的应用演示

本文建立了一个用于实时监测生理信号的IoH系统。IoH系统的核心由高灵敏度的健康监测传感器模块、用户数据显示模块和医护人员诊断模块组成(图4a)。由于阻抗失配，在对TENG输出信号进行ADC之前，其信号需要经过放大和滤波，最终通过蓝牙发送到用户的手机进行数据处理和计算，其数据传输过程如图4b所示。图4c显示了当手机成功接收到传感器数据时用户应用程序的蓝牙数据接收界面。图4d显示了基于FTEP的整个可穿戴IoH系统，该系统可以通过粘性贴片粘贴于皮肤上。图4e显示了测量用户脉搏波的实时监测界面。传感器可以连接到腕带上从而便于穿戴和调节预应力。FTEP还可以粘贴到脚后跟，用于大压力实时监测，如卧床病人的离床警告(图4g和h)。图4i显示了患者起床时的应用程序界面，信号处理电路可以使示波器清楚地检测到人体足底压力的信号(图j)。

图4. 医疗保健互联网(IoH)系统及其在门诊个性化医疗监测中的应用演示。(a)基于FTEP的IoH系统的系统配置，其中收集的信号可以无线传输到手机和医院数据中心；(b)IoH系统的原理图，由信号放大器、低通滤波器、数据采集和数据处理四个部件组成；(c)蓝牙数据界面在接收脉搏波信号时的照片；(d)用户端IoH系统的照片；(e)志愿者的脉搏波通过一个定制的应用程序显示在手机界面上；(f)为了便于穿戴将FTEP的照片附在带子上；(g)FTEP作为可穿戴电子设备的演示，用于监测患者或老年人的下床状态；(h)将FTEP附在脚后跟上用于监测下床状态的照片；(i)在护士的APP端收到来自FTEP的下床信号；(j)示波器检测到下床状态时的输出信号。

作者简介

雷浩
本文第一作者

利物浦大学 博士研究生

▍主要研究领域

(1)柔性可穿戴器件及系统；(2)自驱动传感器的性能优化。

赵春
本文通讯作者

西交利物浦大学 副教授

▍主要研究领域
(1)第四代半导体高性能传感芯片；(2)新型神经形态器件。
▍主要研究成果

西交利物浦大学电气与电子工程系副教授，英国利物浦大学博士生导师，微电子研究领域学术带头人，电子科学与技术专业负责人，苏州市新能源技术重点实验室副主任。2018年9月入选江苏省创新创业人才引进计划，主持多项省市科技专项，担任第17届及18届集成电路国际知名学术会议：IEEE国际集成电路设计与工艺大会(ICICDT)出版主席。现拥有美国发明专利2项、中国发明专利14项、中国发明专利受理60项，超过120篇国际知名期刊和国际会议论文及报告，学术代表成果引用包括Nature Materials、Nature Electronics、Nature Communication、Science Advance、Advanced Materials等高水平国际期刊，受邀请作为若干国际知名期刊审稿人，包括Nature Electronics、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electronic Devices等。
▍Email：chun.zhao@xjtlu.edu.cn

文震
本文通讯作者

苏州大学 研究员

▍主要研究领域
(1)柔性能量收集材料及器件；(2)微纳传感材料与器件；(3)智能传感器件与自驱动系统。
▍主要研究成果

苏州大学功能纳米与软物质研究院研究员、博士生导师、院长助理，主要从事柔性电子材料、智能传感器与自驱动微系统等方面研究工作。近五年承担了科技创新2030“新一代人工智能”重大项目课题、国家重点研发计划“智能传感器”重点专项课题、国家自然科学基金区域联合基金重点项目、面上项目等。至今以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等高水平期刊发表学术论文90余篇，包括期刊封面论文16篇和ESI热点论文2篇、高被引论文13篇，总引用11000余次，h指数为57，撰写英文学术专著2章，获授权中国发明专利31项，其中10项已实现成果转化。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单、江苏省科协青年科技人才托举工程、江苏省科技副总项目等，荣获Microsystem & Nanoengineer Summit 2022青年科学家奖，应邀担任Electronics Letters期刊副主编、Chinese Chem. Lett.和Nano Res. Energy青年编委等。
▍Email：wenzhen2011@suda.edu.cn

孙旭辉
本文通讯作者

苏州大学 教授

▍主要研究领域

纳米材料和纳米功能器件及其在新能源(纳米发电机、光解水、锂电池等)及化学传感器方面的应用的研究，以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用。
▍主要研究成果

苏州大学纳米科学与技术学院教授、博士生导师；清华大学理学学士、硕士学位，香港城市大学材料学博士学位，加拿大西安大略大学博士后；曾就职于美国国家宇航局(NASA) Ames研究中心纳米技术中心、NASA Ames研究中心先进研究实验室研究员及美国圣塔克拉拉大学兼职助理教授。一直致力于纳米半导体材料和纳米功能器件及其在电子信息、光电、传感器芯片及新能源方面的应用研究。现已在SCI收录国际期刊上发表论文190余篇，他引5300余次，H-index 42。撰写英文书(章节)5章。获得美国专利3项，PCT专利2项，申请中国专利80余项，已授权30余项。担任国际杂志IEEE Transaction on Nanotechnology副主编，Frontiers in Materials编委会委员，是国际电子电工学会高级会员、国际材料学会、国际X射线吸收谱学会会员，以及国家同步辐射实验室用户委员会副主任、上海光源用户委员会委员，国家纳米标准委员会苏州工作组副组长。2010 年入选“苏州市紧缺人才计划”。2011 年入选江苏省“333”人才工程计划。2012 年入选苏州工业园区科技领军人才。承担了国家重大研究计划课题负责人2项，国家基金委联合基金重点项目、重大研究计划培育项目、面上项目负责人等多项，还参与了国家863重大项目、国家02专项等。并于2014年创立苏州慧闻纳米科技有限公司，担任公司董事长兼首席科学家。公司专注于先进智能传感器芯片的研发生产，并已建成年产1000万颗传感芯片的生产线。

▍Email：xhsun@suda.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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