一种自供电摩擦发电眼罩，可用于监测眼球运动

近年来，可穿戴医疗设备的迅速发展逐渐引起了人们的关注，能用于监测人体的生理与行为信号并提供有效的辅助治疗。最近，市场上出现了一款广受上班族追捧的眼罩，其能在一定程度上缓解眼部疲劳，监测睡眠质量。其中，眼球运动监测主要使用嵌入眼球追踪屏幕或眼镜的高分辨率传感器，以通过心肺耦合分析间接监测快速的眼球运动。然而，这些监测方法都非常昂贵且复杂。

近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、曹霞研究员等人基于聚四氟乙烯与尼龙织物的摩擦，开发了一种自供电摩擦发电眼罩，可用于监测眼球运动。由于摩擦发电层表面的过度带电，摩擦发电眼罩可以保持稳定的静电场。其输出功率密度可以达到约485mW/m²，且在摩擦层与集电极垂直距离为20mm时，最大电压可达80V。该摩擦发电眼罩不仅可以为潜在可穿戴应用的数字手表供电，还可以集成于商用眼罩以监测睡眠期间的眼球运动。这项工作提出了一种人体运动能量收集机制，可用于自供电智能可穿戴健康设备和麦克斯韦位移电流无线传感器。该研究以题为“Triboelectric Patch Based on Maxwell Displacement Current for Human Energy Harvesting and Eye Movement Monitoring”的论文发表在ACS nano期刊上。

摩擦发电眼罩的设计

该眼罩主要包括三个部分，最内层是市售的带凹槽的眼罩。这种立体结构的设计不仅可以减少眼罩对眼球的压力，还可以防止聚四氟乙烯层与尼龙摩擦后与其他材料接触，从而使麦克斯韦位移场得以长时间保存。第二部分是由聚四氟乙烯和尼龙织物制成的摩擦发电层。两者经过简单的摩擦后，通过接触带电在聚四氟乙烯和尼龙织物之间产生大量表面电荷。与具有金属电极层的TENG相比，此无电极摩擦发电贴眼罩可长时间保持高表面电压，可从约-0.21kV增加到约-3.36kV。第三部分是眼罩的最外层，是一种带有夹层的自制眼罩，可以填充用户自己喜欢的材料，如芳香材料、护肤材料和眼保健材料等。

图1 摩擦发电眼罩的结构与表征

眼罩的电输出性能与应用

该摩擦发电眼罩可以在匹配的负载电阻下产生最大的输出功率，当外接电阻为11MΩ时，其最大输出功率可达485mW/m2。因此，该眼罩可用于为各种电容器充电。研究人员将其作为电源为数字手表供电，可以从表上清楚地看到数字时间显示，说明其能够通过10μF的电容驱动电子表。此外，该摩擦发电眼罩还能点亮发光二极管，具有广泛的应用价值。研究人员演示了该摩擦发电眼罩用于眼动监测的应用，在睡眠阶段快速眼动测试识别可以帮助评估心肺耦合。通过该摩擦发电贴片对眼球运动的监测可区分快速眼动睡眠与其他睡眠阶段，并结合心肺耦合可初步筛查一些睡眠和呼吸系统疾病。因此，该研究对医学健康监测的发展具有重要意义。

图2 电输出性能

摩擦发电眼罩的耐久性

出于实用性考虑，有必要在反复洗涤后保持摩擦发电眼罩的性能，即评估洗涤后的聚四氟乙烯和尼龙织物的摩擦发电特性。研究人员通过模拟洗涤环境，在装有家用洗涤剂、磁铁和自来水的烧杯中进行了耐洗性测试。研究人员将两种材料浸入水中10分钟，然后在室内自然干燥。在洗涤前，聚四氟乙烯的初始表面电位约为-0.21kV，在尼龙织物充分摩擦后，其表面电位变为约-3.36kV。洗涤后，聚四氟乙烯的表面电位约为-3.33kV。因此，正常的洗涤过程不会影响聚四氟乙烯的摩擦性能，这表明所设计的摩擦发电眼罩是可清洗的，并且坚固耐久。此外，该耐洗性测试是在没有任何包装的情况下清洗的，这种模拟环境与日常生活中的洗涤过程非常相似。因此，该摩擦发电眼罩具有出色的耐久性和实用性。

图3 摩擦发电眼罩的耐洗性测试

综上所述，研究人员设计了一种摩擦发电眼罩，用于收集人体运动能量以产生静电场，还可以为发光二极管和数字手表供电。与商业眼罩相比，所设计的摩擦发电眼罩在洗涤过程中具有出色的耐用性。该研究采用了常用的亲肤材料来制作摩擦发电眼罩，因而在智能医疗、智能可穿戴设备、个性化医疗诊断等方面具有可行性。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01199

审核编辑 ：李倩