《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Aromatic Amine-Functionalized graphene oxide enables Proximity-Sensitive triboelectric sensors for intelligent motion tracking and LIB charging
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随着智能健康监测需求的增长，非接触式传感器的开发尤为重要。研究人员针对此问题，开发了一种基于2,6-二氨基吡啶功能化氧化石墨烯(DAP-GO)/蚕丝复合材料，与电纺聚偏氟乙烯-六氟丙烯/3 wt% MXene (PH3M)配层配对的高性能摩擦电传感器。该研究成功制备出1.5 wt% DAP-GO (1.5SDAPG)复合物，其开路电压相比原始蚕丝提升约8倍，实现了0.18%的机电转换效率，能驱动数字秒表工作30分钟以上，甚至可为锂离子纽扣电池充电。更重要的是，该传感器能通过近距离静电场扰动非接触地检测人体活动，并实现空间分辨的运动追踪。这项工作为自供电、非接触式人机界面和智能生活系统提供了多功能平台。
论文解读
在当今社会，随着人口老龄化趋势加剧和人们对健康生活的日益关注，智能健康监测和智慧环境系统的需求变得前所未有的迫切。想象一下，如果能够在不佩戴任何设备、不与传感器发生物理接触的情况下，精准地监测老年人的日常活动，甚至在跌倒发生时第一时间发出警报，这无疑将极大地提升居家养老的安全性和舒适性。这正是“非接触式传感技术”致力于实现的愿景。然而，传统的接触式传感器（如穿戴式设备）存在佩戴不便、容易引起皮肤不适等问题；而许多非接触式传感器则依赖于摄像头或雷达，可能引发隐私担忧或成本高昂。此外，为这些分散部署的传感器持续供电也是一个挑战。因此，开发一种能够自发电、不侵犯隐私、且能灵敏感知人体微弱信号的新型传感器，成为智能健康领域的一个关键问题。
针对上述挑战，一项发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的研究为我们带来了创新的解决方案。研究人员巧妙地将材料科学与能量收集技术结合，旨在创造一种集能量捕获与高灵敏非接触传感于一体的多功能平台。这项工作的核心目标是：不仅要从环境运动中收集能量为微电子设备供电，更要利用这种能量转换过程中的电信号变化，来实现对人体运动的无接触、高精度探测。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，他们通过化学改性制备了关键功能材料，即2,6-二氨基吡啶功能化的氧化石墨烯(DAP-GO)。其次，运用材料复合技术，将不同含量的DAP-GO与蚕丝蛋白复合，制备了一系列DAP-GO/蚕丝复合薄膜。第三，采用静电纺丝技术制备了对电极层，即聚偏氟乙烯-六氟丙烯与3 wt% MXene纳米片(PH3M)的复合纤维膜。最后，构建了基于摩擦起电与静电感应原理的摩擦电纳米发电机(TENG)器件，并系统评估了其发电性能与非接触传感能力。
研究结果
1. 材料设计与性能优化
研究人员设计并合成了2,6-二氨基吡ridine功能化的氧化石墨烯(DAP-GO)，并将其与天然蚕丝复合。通过系统调整DAP-GO的掺杂量（0.5 wt%， 1.0 wt%， 1.5 wt%， 2.0 wt%），他们发现1.5 wt%的掺杂量（记为1.5SDAPG）能产生最佳的协同效应。该复合材料不仅增强了材料的摩擦电极性（tribopolarity），还提高了电荷捕获能力。与纯蚕丝薄膜相比，1.5SDAPG复合膜作为摩擦电层时，其产生的开路电压(VOC)提升了约8倍，这证明了功能化改性对提升摩擦电输出的显著效果。
2. 摩擦电纳米发电机(TENG)的能源收集性能
将优化的1.5SDAPG薄膜与电纺PH3M薄膜配对，构建了完整的摩擦电纳米发电机（1.5SDAPG/PH3M-TENG）。该器件表现出优异的机电转换能力，其能量转换效率达到0.18%。在实际应用中，它能够持续为一个商用数字秒表供电超过30分钟。更令人印象深刻的是，该TENG产生的电能可以直接为一个锂离子纽扣电池充电，这证明了其作为微型能源收集器为物联网(IoT)节点或小型电子设备供电的潜力。
3. 邻近敏感的非接触式运动传感
超越能量收集，这项研究的精髓在于器件非凡的非接触传感能力。当人体（如手指）靠近但未接触传感器表面时，人体会扰动器件周围的静电场，从而在TENG的输出信号中引入特征变化。利用这一原理，器件能够准确区分不同的人类活动模式，例如走、跑、跌倒等，每种活动都会产生独特且可识别的电信号波形。这为实现无接触的健康与行为监控提供了直接的技术途径。
4. 空间分辨的运动追踪
除了识别活动类型，该传感器还能实现空间定位。通过分析当触碰事件（如手指点击）发生在传感器平面不同位置和不同距离时输出信号的变化，研究团队演示了器件对触摸事件的定位能力。这意味着单个传感器或传感器阵列有望用于重构二维或三维的空间运动轨迹，为更精细的人机交互（如非接触式手势控制）奠定了基础。
结论与讨论
本项研究成功开发并展示了一种基于芳香胺功能化氧化石墨烯复合材料的高性能、多功能摩擦电传感器。其主要结论和重要意义体现在以下几个方面：
首先，研究通过分子工程手段，证实了2,6-二氨基吡啶对氧化石墨烯的功能化能有效提升复合材料的摩擦电极性与电荷储存能力，从而大幅提升了摩擦电输出。这为通过合理的化学设计来定制高性能摩擦电材料提供了新的思路。
其次，所构建的1.5SDAPG/PH3M-TENG器件实现了高效的能量收集，其电能足以驱动小型电子设备并为电池充电，验证了其作为自供电系统的可行性。这有助于解决分布式传感网络的供电难题。
然而，本项工作最突出的贡献在于巧妙地将摩擦电效应用于非接触式传感。器件通过感知人体靠近引起的微静电场扰动，实现了对多种人体活动的无接触识别和空间运动追踪。这种“一石二鸟”的设计——同一器件同时作为发电机和传感器——极大地提升了系统的集成度和功能性。
综上所述，这项研究构建了一个将可持续能量收集与先进传感技术深度融合的多功能平台。它为解决远程老年人监护、跌倒实时检测、智能安防监控等实际需求提供了一条极具前景的技术路径。该1.5SDAPG/PH3M-TES器件为未来物联网使能、自供电、非接触式的人机交互界面以及下一代智能生活系统奠定了坚实的基础。
