随着物联网（IoT）在医疗领域的渗透，可穿戴设备成为人体与数字世界的关键接口，其中纺织基摩擦纳米发电机（t-TENGs） 因自供电特性与纺织品柔性、透气性结合的优势，在长期健康监测中极具潜力。然而，现有技术存在以下瓶颈：传统t-TENGs依赖预制织物功能化，结构可调性差、表面电荷控制弱；纤维基 TENGs（f-TENGs）主流核壳结构需多层材料与复杂组装，制备通量低，难以实现独立单丝传感。

为此，瑞士联邦材料科学与技术研究所Prof. René M. Rossi、韦孔昌博士等人利用微流控湿法纺丝技术，成功制备出具有竹节状空腔结构的Janus摩擦电纤维。该纤维将PVDF与TPU分置于两侧，通过内部竹节状空腔实现高效接触-分离，无需外部基底即可作为独立单丝传感器工作，并成功应用于人体不同幅度与频率运动的实时监测。相关研究以“Microfluidic Fabrication of Janus Triboelectric Fibers with Bamboo-Like Architecture for Motion Sensing Applications”为题目，发表于期刊《Advanced Fiber Materials》。

本文要点：

1、纤维基摩擦电纳米发电机（f-TENGs）在可穿戴健康和自供电器件中具有广阔前景。针对现有同轴多层f-TENGs制备工艺复杂、效率低的问题，本研究提出一种具有竹节状结构的Janus摩擦电纤维。

2、采用微流控湿法纺丝技术，将聚偏氟乙烯（PVDF，负电性）和热塑性聚氨酯（TPU，正电性）精确分布于纤维两侧，并通过竹节状空腔实现两者的分离。

3、该结构可在纤维变形时实现接触-分离模式的摩擦发电，无需外部基底即可作为独立传感器使用。

4、实验表明，该纤维可集成于可穿戴传感器中，有效监测人体不同频率和幅度的运动。该研究为开发自供电、微型化可穿戴设备提供了新思路。

图1. 基于微流控湿纺（MWS）技术的纤维基摩擦纳米发电机（f-TENG）传感器研制及其人体运动监测应用。a）采用同轴微流控芯片的微流控湿纺装置，用于调控热塑性聚氨酯（TPU）、聚偏氟乙烯（PVDF）与空气的流体形态；b）所得Janus竹节状纤维的结构示意图；c）由导电胶带组装Janus竹节状纤维构成的f-TENG传感器示意图；d）f-TENG传感器在人体运动监测中的应用

图2. 通过速率调控实现微流控流体行为控制：基于核心流速（Qc，微升/分钟）与两种壳层流速（Qs1：TPU溶液流速，微升/分钟；Qs2：PVDF溶液流速，微升/分钟）参数，绘制出连续层流、稳定竹节状流及不稳定竹节状流三种不同流体状态的分布图

图3. 流场中气泡形成与分布分析。a）稳定竹节状流的示意图（左）与显微图像（右），图中定义了气泡参数（气泡间隙、气泡投影面积、TPU流宽度及气泡密度）；b）不同核-壳流速条件下的气泡密度；c）不同核-壳流速条件下的TPU流宽度

图4. 以气泡投影面积（A）和气泡间隙（D）表征的流体形态随流速的调控规律。a）不同流速条件下测得的气泡面积；b）不同流速条件下测得的气泡间隙；c）气泡面积与气泡间隙随核心流速（Qc）变化的线性拟合结果

图5. Janus竹节状纤维的结构与生物相容性表征。a）空腔密度n'的示意图；b）卷绕速度（SR）对核心流速Qc=200微升/分钟时所纺纤维空腔密度的影响；c）流速对纤维空腔密度的影响；d）固定壳层流速Qs1=Qs2=200微升/分钟、不同核心流速（Qc=0、100、200、300、400微升/分钟）下所纺纤维的差示扫描量热（DSC）曲线及相应熔融焓；e）在d中所述条件下制备的纤维其条件培养基中培养的成纤维细胞存活率

图6. Janus竹节状纤维的结构与摩擦电性能特征。a）纤维仿生结构的代表性显微图像；b）竹节状空腔单元的接触-分离循环示意图；c）摩擦电效应的示意图

图7. Janus竹节状f-TENG的传感性能。a）传感器结构示意图；b）穿戴者行走与跑步状态下的在体传感性能；c（i）固定流速条件（Qs1=Qs2=200微升/分钟、Qc=300微升/分钟）下所纺纤维构成的传感器，在运动频率4赫兹、振幅10毫米条件下的代表性长期传感性能；（ii）不同核心流速（Qc）、固定壳层流速（Qs1=Qs2=200微升/分钟）下所纺纤维构成的传感器，在不同运动频率与振幅条件下的平均传感性能

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00641-7

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