通过增材制造的基于压电聚合物PVDF的auxetic纳米发电机实现无线生物传感，用于健康监测

《Surfaces and Interfaces》：Wireless biosensing enabled by additively manufactured auxetic based PVDF piezoelectric nanogenerators for health monitoring

压电纳米发电机通过整合 auxetic 结构和电晕极化技术，在 d?? 模式下实现 5.5V 开路电压和 0.6W/m2 功率密度，是非平面结构的五倍，并验证了其在可穿戴设备中的机械耐用性和能量收集能力。

　　在现代科技迅速发展的背景下，可穿戴生物传感技术正逐步成为医疗健康、智能服装和人机交互等领域的重要研究方向。这种技术的核心在于如何有效地将人体运动产生的机械能转化为可用的电能，从而实现自供电的传感器系统。为了满足这一需求，科学家们不断探索新的材料与结构设计，以提高能量收集效率和设备的适应性。其中，压电纳米发电机（Piezoelectric Nanogenerators, PENGs）因其出色的能量转换能力而备受关注。特别是在d??模式下，PENGs能够通过垂直于极化方向的机械力产生电荷，这为可穿戴设备的广泛应用提供了可能。

然而，传统PENGs的性能仍然存在一定的局限性。例如，大多数PENGs采用二维结构设计，这导致其在机械变形过程中无法充分利用材料的三维空间，从而限制了输出电压和电流的提升。此外，传统制造工艺难以实现复杂结构的高效生产，使得设备的制造成本和时间都较高。因此，如何优化PENGs的结构设计，提高其在d??模式下的能量转换效率，成为当前研究的一个关键课题。

针对这一挑战，研究团队提出了一种创新的解决方案：将负泊松比（auxetic）结构引入PENGs的设计中。负泊松比结构是一种特殊的机械超材料，其特点是当受到拉伸时，材料不仅在轴向方向发生伸长，同时在横向方向也产生膨胀，这与常规材料在拉伸时横向收缩的特性相反。这种独特的变形行为使得负泊松比结构在承受机械力时能够实现更高的应变放大和更均匀的应力分布，从而显著提升PENGs的压电输出性能。

本研究采用了一种名为“材料挤出”（Material Extrusion, ME）的3D打印技术，结合聚偏氟乙烯（PVDF）材料和离子液体，制造了具有负泊松比结构的PENGs。PVDF作为一种常见的压电聚合物，具有良好的机械柔韧性和化学稳定性，但其天然状态下主要以非压电的α相存在，只有通过极化处理才能获得具有压电性能的β相。为此，研究团队引入了离子液体，不仅有助于改善PVDF的加工性能，还能够促进β相的形成。随后，通过电晕极化（corona poling）技术进一步增强了PVDF内部偶极子的排列，从而显著提升了其压电特性。

实验结果显示，采用S-结构负泊松比设计的PENGs在d??模式下表现尤为出色。当施加相同的拉伸力时，这种结构能够实现比传统平面结构更高的纵向和横向应变，进而产生更强的压电响应。具体而言，S-结构PENGs在弯曲模式下实现了5.5 V的开路电压和1.1 μA的短路电流，其功率密度达到0.6 W/m2，是传统结构的五倍。这一结果表明，通过引入负泊松比结构，PENGs在d??模式下的能量收集能力得到了显著提升。

除了提升输出性能，研究团队还关注了PENGs的机械耐用性。实验表明，这些新型PENGs在反复拉伸和弯曲后仍能保持稳定的电荷输出，显示出良好的结构稳定性和长期使用的可靠性。这一特性对于可穿戴设备来说至关重要，因为它们需要在各种复杂环境中持续工作，例如运动过程中频繁的形变和外部环境的变化。

在实际应用方面，研究团队将这些新型PENGs集成到人体不同部位，如肘部、手腕、颈部和膝盖，以测试其在人体运动中的表现。结果表明，这些设备能够有效地将人体运动转化为电能，并作为自供电的生物传感器使用。例如，在手臂摆动或步态运动过程中，PENGs能够持续产生电荷，为传感器提供稳定的能量来源。这种自供电特性不仅减少了对外部电源的依赖，还提高了设备的便携性和使用灵活性。

此外，研究团队还通过多种实验手段验证了β相的形成，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）。这些技术的综合应用确保了材料的极化状态能够被准确表征，从而为后续性能优化提供了科学依据。同时，结合实验数据和理论模拟，研究团队深入分析了不同结构设计对压电性能的影响，进一步揭示了负泊松比结构在能量收集中的优势。

本研究的成果不仅为可穿戴生物传感技术提供了新的材料和结构解决方案，也为未来开发高效、耐用的自供电设备奠定了基础。通过结合3D打印技术、离子液体辅助极化和负泊松比结构设计，研究团队成功构建了一种具有广泛应用前景的新型PENGs。这种设备不仅能够有效收集人体运动产生的机械能，还能在各种环境下保持稳定的性能，从而为医疗健康监测、智能服装和可穿戴电子设备的发展提供了重要支持。

在实际应用中，这些新型PENGs可以与各种传感器集成，用于实时监测人体生理信号，如心率、呼吸频率和肌肉活动。由于其自供电特性，这些设备无需外部电池或电源，极大地提高了便携性和安全性。此外，它们还可以作为能量收集装置，为其他电子设备提供电力支持，从而实现多用途的智能穿戴系统。

本研究的创新点在于首次将负泊松比结构与d??模式PENGs相结合，并通过材料挤出技术实现了复杂结构的高效制造。这种方法不仅降低了生产成本，还提高了设备的可定制性和适用性。通过优化结构设计和极化工艺，研究团队成功提升了PENGs的性能，使其在可穿戴设备中具备更高的实用价值。

展望未来，随着材料科学和制造技术的不断进步，负泊松比结构PENGs有望在更多领域得到应用。例如，它们可以用于开发更加智能和高效的医疗监测设备，帮助医生实时跟踪患者的健康状况。此外，这些设备还可以应用于环境监测、智能建筑和物联网等领域，为可持续能源的开发提供新的思路。

总之，本研究通过引入负泊松比结构，显著提升了PENGs在d??模式下的能量收集能力，为可穿戴生物传感技术的发展提供了重要的理论和技术支持。这种新型PENGs不仅具备出色的机械性能和电荷收集能力，还展现出良好的应用前景，有望在未来成为自供电设备的重要组成部分。