二维编织芯壳纤维摩擦纳米发电机收集人体运动输出6V、575nA，点亮LED并充电电容
摘要
可穿戴电子设备需要紧凑、自主的电源以利用环境动能。本文提出一种由芯壳纤维构建的二维编织摩擦纳米发电机（2DW-WTNG），将人体运动转化为电能。器件峰值电压6.35 V，峰值电流575 nA，在50 MΩ负载下功率密度达2.33 mW/m²。值得注意的是，仅0.4 mm位移即可产生电荷，连续运行12小时性能无损耗。
引言
便携、可穿戴和植入式设备普及，但传统电池在容量、寿命和环境影响方面不足。利用日常人体活动固有的机械能提供可持续替代方案。摩擦纳米发电机（TENG）将接触诱导的电荷分离和静电感应转化为可用电能。尽管存在众多TENG设计，但许多依赖脆弱基底损害耐用性。我们的2DW-WTNG通过将芯壳导电纤维直接集成到编织织物中，消除了这一限制，实现稳健、可扩展生产。
方法
芯壳复合纤维制备
采用旋转支撑模拟手工拧线，将缝纫尼龙线（110 µm）与漆包铜线（60 µm）、缝纫聚酯线（200 µm）与钢丝（60 µm）结合。得到直径380 µm尼龙/铜和385 µm聚酯/钢纤维，各具金属芯和聚合物护套。铜芯绝缘防短路，钢芯提供结构强度。
编织2DW-WTNG
四组尼龙/铜纤维和四组聚酯/钢纤维正交编织，形成15 mm×15 mm有效面积，7 mm栅格宽度。所得织物类似常规纺织品，兼容工业织布机量产。
电学表征
器件由直线电机驱动，上层对下层做往复滑动运动。在不同滑动速度、位移和相对取向下记录输出电流电压。
结果与讨论
尼龙（摩擦电正性）与聚酯（摩擦电负性）滑动接触产生交变电荷转移，驱动电子在两电极层间流动。8 mm位移、0.15 m/s速度下达峰值输出575 nA和6.3 V。接50 MΩ电阻时功率密度峰值2.33 mW/m²。
增加滑动速度提升峰值：0.125 m/s时电流415 nA、电压6.6 V。小至0.4 mm位移仍产生可测输出（2.3 nA，0.05 V），展示对微小人体运动的敏感性。
器件在各种平面取向下保持性能，50°相对角度仍输出134 nA和2.23 V，确认对任意身体运动的适应性。
接桥式整流器后，2DW-WTNG即时点亮红色LED，1分钟内将0.47 µF电容充至1.84 V，存储电荷3.84 mC/m²。连续运行12小时性能无明显退化，凸显机械韧性。
结论
2DW-WTNG展示了收集人体运动能量的可扩展、耐用平台。其芯壳纤维架构和编织设计提供高电压、足以驱动低功耗电子的电流，并在多方向运动下稳健运行。该技术为真正自主的可穿戴设备铺平道路。
数据与材料可用性
数据和分析可向通讯作者合理请求获取。
缩略语
- 2DW-WTNG
- 二维编织可穿戴摩擦纳米发电机
- AC
- 交流电
- DC
- 直流电
- LED
- 发光二极管
- SEM
- 扫描电子显微镜
- WTNG
- 可穿戴摩擦纳米发电机
纳米材料