引言

随着物联网、人工智能和智能可穿戴技术的快速发展，人们对轻量化、柔性、环保的能源解决方案需求日益增长。传统的电池存在体积大、续航短、安全性差等问题，而摩擦纳米发电机（TENGs）因其能够将机械能转化为电能，成为研究热点。纺织基摩擦纳米发电机（T-TENGs）因其柔软性、灵活性和易与人体集成而备受关注，但其在界面兼容性、机械耐久性和性能稳定性方面仍面临挑战。

香港理工大学纺织与服装学院徐宾刚教授、关晓阳博士等研究团队与香港教育大学及郑州大学合作，围绕这一课题展开了系统深入的研究。他们在《Nano Energy》（IF=17.1）上发表了题为：“Multilayer nanofiber yarns via electrospinning-assisted continuous fabrication for body motion monitoring and intelligent rehabilitation”的文章，通过静电纺丝辅助和涂层技术，设计并实现了高度均匀、超耐用且超细的多层纳米纤维纱线（MNY）的连续制备。该纱线结构由导电银-尼龙纱线核心、静电纺丝的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）纳米纤维中间层以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）外层组成，展现出优异的界面结合力和机械耐久性。基于此纱线制备的摩擦纳米发电机（MNY-TENG）在人体运动监测、羽毛球击球姿势识别及上肢康复训练中表现出卓越的应用潜力。

 创新亮点

1. 多层结构设计与优化

◦ 核心-鞘层结构：导电银-尼龙纱线作为核心电极，PVDF-TrFE纳米纤维作为中间层，PDMS作为外层摩擦电材料，形成紧密的多层复合结构。

◦ 静电纺丝辅助连续制造：通过自主研发的连续收集装置，实现了纳米纤维纱线的高效、均匀制备，解决了传统方法中界面兼容性差和机械耐久性不足的问题。

2. 优异的机械与电学性能

◦ 高耐久性：PDMS涂层赋予纱线出色的耐磨性，经过100次砂纸摩擦后表面无损伤，且经过30,000次接触分离循环和20次水洗后仍保持稳定的电学输出。

◦ 高灵敏度：MNY-TENG在压力范围为0.33–1.77 kPa时灵敏度达5.97 V/kPa，适用于微小运动的监测。

3. 多功能应用场景

◦ 人体运动监测：可实时监测手指、手腕和膝盖的弯曲动作，输出信号与运动幅度高度相关。

◦ 智能体育训练：集成到羽毛球拍中，通过电信号识别击球动作（如扣杀、平抽等），帮助运动员优化技术。

◦ 智能康复训练：结合机器学习算法，MNY-TENG可准确识别六种上肢康复动作，为偏瘫患者提供实时反馈和辅助训练。

4. 机器学习结合

◦ 通过一维卷积神经网络（1D CNN）模型对康复动作信号进行分类，识别准确率达100%，为智能康复提供了高效的技术支持。

图文解析

 图1：多层纳米纤维纱线的结构示意、连续制造工艺、纱线的柔软性、可编织性和疏水性特性

图2：纱线横截面和表面微观形貌，显示纳米纤维包覆致密；PDMS涂层显著提升耐磨性，拉伸曲线表明良好机械性能

图3：不同转速和收集时间对纱线结构及电输出的影响：400 rpm转速纱线最致密，5分钟收集时间电压输出最佳

图4：MNY-TENG的单电极工作原理示意图；COMSOL仿真电势分布；与不同正电材料接触时的电压信号

图5：MNY-TENG输出随压力、频率、负载电阻变化；电压耐久性测试（9000次循环、20次洗涤）；功率密度随负载变化

图6：MNY-TENG用于手指、腕部、膝部动作监测和羽毛球击球检测；四种击球动作电压输出曲线

图7：上肢康复智能臂带示意；六种康复动作及其电信号；CNN模型结构、混淆矩阵、训练验证精度与损失曲线

总结与建议

研究首次提出静电纺丝辅助连续制备多层纳米纤维纱线，解决了界面兼容性和耐磨性难题，制备出的MNY-TENG在能量收集、动作感知和智能康复中展现卓越性能，并且可规模化生产，具备良好产业化潜力。

建议：

产业应用：结合自动化编织工艺，可在运动服、智能护具、大健康领域推广。

技术迭代：可探索更多纳米纤维材料（PVDF、PU、PAN）提升摩擦电性能。

智能互联：结合无线通信模块，构建远程健康监测系统。

标准制定：制定耐久性、耐洗性、功率输出等测试标准，推动摩擦发电机行业规范发展。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111287