《Sensors and Actuators B: Chemical》：Microsphere-Enhanced Flexible Triboelectric Nanogenerator with PVDF/CNT–PDMS Composite for Micro-Expression Recognition and Mental Health Monitoring
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崔juan|王凯平|刘惠子|朱世龙|李欣|陈嘉敏|郑志强|王华平|郑永秋|薛晨阳中国北方工业大学极端环境光电动态测量技术与仪器国家重点实验室，太原，030051，中国摘要心理健康障碍，尤其是那些伴有细微躯体化症状的障碍，迫切需要连续且无创的监测工具，这些工具能够捕捉到细微的情绪线
崔juan|王凯平|刘惠子|朱世龙|李欣|陈嘉敏|郑志强|王华平|郑永秋|薛晨阳
中国北方工业大学极端环境光电动态测量技术与仪器国家重点实验室，太原，030051，中国
摘要
心理健康障碍，尤其是那些伴有细微躯体化症状的障碍，迫切需要连续且无创的监测工具，这些工具能够捕捉到细微的情绪线索。微表情源自瞬间的、低幅度的肌肉活动，因此需要具有高灵敏度和稳健时空分辨力的传感系统。在本研究中，我们介绍了一种通过界面微工程技术实现的摩擦电传感平台，该平台采用微球增强的PVDF/CNT–PDMS复合结构。通过在PDMS界面嵌入均匀分布的微球，并将其与PVDF/CNT电纺层结合，这种改进的微接触配置显著增加了有效接触面积、局部变形均匀性和界面电荷密度。该复合结构保持了优异的柔韧性和与皮肤的贴合度，能够在自然面部变形下稳定工作。该设计的灵敏度为12.376 V·N?1，并能在快速和复杂的面部动态下保证稳定的电输出。当应用于关键面部区域时，传感器能够分辨出与微表情级别肌肉波动相关的特定压力信号。结合时间卷积网络，该系统通过提取细微和大规模面部运动的特征时空特征，可以准确识别七种情绪状态，准确率为93.43%。这种基于界面工程的自供电传感框架为实时和保护隐私的心理健康监测以及更直观的人机交互提供了一条有前景的途径。
引言
随着社会压力的增加，伴有躯体化症状的抑郁症已成为全球主要的公共卫生问题 [1]、[2]、[3]、[4]。这些躯体表现，如呼吸急促、头痛、心悸、肢体疲劳和睡眠障碍，往往是非特异性的，缺乏可识别的有机原因，这使得它们容易被误诊或忽视 [5]、[6]、[7]、[8]、[9]。因此，连续、无创和实时的监测对于这些症状的早期发现和有效管理至关重要 [10]。焦虑或抑郁等心理状态通常反映在细微的生理或行为变化中，包括面部肌肉紧张、微表情或呼吸不规律，这些都可以作为心理评估的重要指标 [11]、[12]。开发能够捕捉这些难以察觉的生理线索的可穿戴传感系统，为实现情感感知和生理测量之间的桥梁提供了有前景的方法 [13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。
传统的监测方法，包括脑电图（EEG）[22]、[23]、[24]、[25]、面部表情识别[26]、[27]、[28]和光电容积脉搏波（PPG）[29]、[30]、[31]，可以提供有关情绪或心理健康状况的宝贵信息。然而，每种方法都存在限制，阻碍了其在日常生活中的实际应用。EEG提供了高时空分辨率和直接的神经信号，但依赖于笨重的设备，并且容易受到运动伪影和环境噪声的影响 [32]。面部表情识别虽然直观，但受光线变化、遮挡和隐私问题的困扰 [33]。PPG可以连续监测与压力或情绪波动相关的心血管反应，但它容易受到运动和皮肤接触问题的影响 [34]。此外，这些系统通常需要外部电源和刚性电子设备，这影响了舒适性、便携性和连续使用性。这些挑战突显了迫切需要灵活、自供电且保护隐私的传感系统，以实现长期的心理健康监测。
柔性压力传感器因其出色的机械适应性以及检测细微生理变化的能力，越来越受到关注[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。功能性聚合物、纳米复合材料和结构设计的最新进展使得能够检测微级别变形的高性能设备成为可能，例如面部肌肉运动和脉压[47]、[48]。然而，在同时实现稳定信号输出、高灵敏度和自供电操作方面仍存在挑战。在各种自供电策略中，摩擦电纳米发电机（TENGs）作为一种有吸引力的解决方案出现，它们通过接触电化和静电感应将机械能转换为电信号[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。它们的低成本、材料多功能性和高灵敏度使其非常适合构建能够检测呼吸、心跳和触觉压力等生物机械活动的柔性可穿戴系统[55]。
近年来，基于TENG的传感器已被广泛用于人机交互、运动监测和医疗诊断[56]、[57]、[58]。然而，大多数现有的TENG设计侧重于大规模或动态运动（例如行走、关节弯曲），而它们在检测面部肌肉运动产生的细微、低幅度生理信号方面的性能仍然有限。此外，表面形态在持续机械变形下的不稳定性以及层间介电耦合不足，往往导致输出弱且噪声较大。因此，合理的材料选择和微观结构设计对于增强电荷生成、提高机械稳健性以及确保实时面部压力感和情绪状态识别的高信号保真度至关重要。
为了提高面部表情监测的精度和实用性，我们提出了一种基于微球增强的PVDF/CNT–PDMS多层摩擦电纳米发电机（MM-TENG）的界面工程柔性自供电压力传感系统，用于实时微表情和心理健康跟踪。该设备采用垂直堆叠的架构，包括Cu顶层电极、电纺PVDF/CNT复合膜、微球改性的PDMS摩擦电层和Ag底层电极。这些层被封装在透气且防水的聚氨酯涂层中，以确保在持续佩戴过程中的舒适性和长期耐用性。通过微球诱导的界面微工程，PDMS层实现了更大的有效接触面积、更均匀的局部变形和增强的界面电荷生成。在Ag和PDMS界面形成的摩擦电荷，加上通过PVDF/CNT导电网络的有效电荷传输，实现了12.376 V·N?1的灵敏度，并能稳定检测到细微的面部压力变化。九个传感器放置在关键面部区域，以记录与微表情相关的不同肌肉活动产生的压力信号。这些时间信号通过时间卷积网络进行分析，可以识别七种代表性情绪状态，包括快乐、悲伤、愤怒、惊讶、恐惧、厌恶和中性，总体准确率为93.43%。通过将高分辨率的界面定制机械传感与数据驱动的时间建模相结合，该系统实现了精确的、自供电的实时微表情识别，并为智能人机交互和个性化心理健康监测提供了有前景的平台。
章节片段
PVDF/CNT薄膜的制备
聚偏二氟乙烯（PVDF）从索尔维（上海，中国）购买，单壁碳纳米管（SWCNTs）从XFNANO材料科技有限公司（南京，中国）获得，N,N-二甲基甲酰胺（DMF，95%）由上海麦克林生物化学有限公司（上海，中国）提供。为了制备PVDF/SWCNT复合膜，首先将PVDF溶解在DMF中，浓度为18 wt%，以形成前驱体溶液。然后按PVDF质量的14 wt%添加SWCNTs。
MM-TENG的设计和工作原理
如图1所示，MM-TENG是为自供电面部表情监测和智能情绪识别而开发的。图1a展示了应用场景：大脑中的神经活动触发神经递质的释放，包括去甲肾上腺素、血清素和多巴胺，这些神经递质调节运动反应并驱动细微的面部运动。这些面部运动引起皮肤的局部变形，这些变形被MM-TENG捕获。
结论
本研究证明，在PVDF/CNT–PDMS复合结构中进行的微球诱导界面微工程显著提高了摩擦电接触效率、机械贴合性和界面电荷生成。这些改进使得MM-TENG系统能够稳定地捕获来自细微肌肉激活和大规模面部运动的高分辨率面部压力信号。分布在九个关键面部区域的传感器
CRediT作者贡献声明
王凯平：撰写——原始草稿，方法学，数据管理。刘惠子：撰写——原始草稿，验证，监督，软件。朱世龙：验证。郑志强：调查，数据管理。王华平：可视化，资源，项目管理。李欣：撰写——原始草稿，监督，软件，资源。陈嘉敏：正式分析，数据管理。崔juan：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，方法学。郑永秋：资助
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（62203406）和山西省研究生实践创新项目（2024SJ275）的支持。
