兴旺国际投资 杭州师范大学材化学院朱雨田、陈建闻最新科研成果发表在Advanced Functional Materials上

杭州师范大学材料与化学化工学院朱雨田教授团队联合南开大学刘遵峰教授，在智能纤维传感与人机交互领域取得新进展。相关成果以 Seamlessly Integrated, High-Output and Robust Triboelectric Nanoyarns: Continuously Electrospun Core-Sheath Architectures for Multimodal Sensing Platforms 为题，发表在国际知名期刊 Advanced Functional Materials（IF：19，2025）上。

织物基摩擦电纳米发电机（TENG）因其自供电的特性，在能量收集和智能传感领域引起了广泛关注。然而，目前基于织物的TENG主要采用多层结构，这种多层结构提高了材料刚性带来了界面稳定性的问题，同时不易集成到日常的服装中。

为应对这些局限性，研究团队成功制备了单电极同轴纳米纱线TENG（CNY-SE-TENG）。该TENG结构将镀银尼龙导电纱芯与含有无铅钙钛矿Cs3Bi2Cl9纳米晶的PVDF-TrFE复合鞘层相结合。通过这种多尺度结构设计：1）分子尺度上通过引入Cs3Bi2Cl9与PVDF-TrFE产生相互作用，增强PVDF-TrFE的β相结晶度和介电性能;2）微纳尺度上通过静电纺丝工艺优化表面形貌，增强表面粗糙度；3）宏观尺度上通过核壳结构设计消除了复杂的多层组装工序，为TENG的无缝集成提供了可能；实现了TENG输出性能与稳定性的同步提升。CNY-SE-TENG与织物的集成展现出固有的自供电传感能力，具有高灵敏度（3.64 V kPa−1）、宽检测范围（最高可达50 kPa）、高耐久性（＞50000次循环）和优异穿着舒适性的特点，充分验证了其在下一代自供电可穿戴设备中的实际应用潜力。

图1. 同轴纳米纱线（CNYs）的制备与表征；a) 连续共轭静电纺纱制备CNYs的示意图；b) PVDF-TrFE/Cs3Bi2Cl9 CNYs的光学照片：i) 成卷的CNYs，ii) 承受500g重量，iii) 十字绣"HZNU"图案，iv) 编织成斜纹织物；c) Cs3Bi2Cl9微晶的XRD图谱；d) Cs3Bi2Cl9的SEM图像及相应元素分布图；e) Cs3Bi2Cl9与PVDF-TrFE相互作用示意图；f) 纯PVDF-TrFE和PVDF-TrFE/Cs3Bi2Cl9复合材料的F 1s谱图；g) Cs3Bi2Cl9及PVDF-TrFE/Cs3Bi2Cl9复合材料的Cl 2p谱图；h) PVDF-TrFE及其复合材料的νas(CH2)基团FT-IR光谱。

图2. 单电极同轴纳米纱线TENG（CNY-SE-TENG）的应用演示一。a) 智能古筝系统的工作流程示意图；b) 演奏《茉莉花》旋律时智能古筝系统的输出信号；c) 集成在手套指关节处的CNY-SE-TENG摩尔斯电码传输系统示意图；d) 指关节上的CNY-SE-TENG编码数字序列“2025”的输出电压信号。

图3. CNY-SE-TENG的应用演示二。a) 织物识别工作流程示意图；b) 六种织物的摩擦电信号特征；c) 从六种织物采集的数据集可视化；d,e) 训练周期内的训练和测试准确率(d)与损失值(e)；f) 六种织物识别的混淆矩阵。

该研究通过连续共轭静电纺纱制备的纳米纱线，在能多个应用场景种展现出良好的潜力。一是 智能音乐接口：基于 CNY-SE-TENG 阵列构建了智能古筝系统，将纱线替换传统琴弦，演奏过程中，指腹拨弦动作可激发相应的电压信号，由 ESP32 单片机通过定制化电路进行信号采集与处理，并转换为控制指令驱动音频模块发声。该系统不仅能准确演奏五声音阶的连续旋律，还可再现《茉莉花》等经典旋律，验证了其在传统乐器数字化与智能音乐交互方面的可行性。二是 自供电通信系统：将 CNY-SE-TENG 集成于手套指关节处，利用不同弯曲角度产生的电压脉冲幅度差异进行编码识别： 30 °以下弯曲产生低幅脉冲（对应“ . ”）， 90 °弯曲产生高幅脉冲（对应“ - ”）。使用者通过时序控制手指动作，成功实现数字序列“ 2025 ” 的编码与识别，展示了其在人机交互与简易通信领域的应用可能性。三是 智能织物识别：针对二维结构 TENG 在织物识别中的局限性，将一维 CNY-SE-TENG 集成于手套食指腹侧。当纱线滑过不同纹理织物时，因接触分离差异产生具有特异性的电压波形。通过构建一维卷积神经网络（ 1D-CNN ）对六类织物的信号进行分析，模型在测试集上达到 95.83% 的准确率，混淆矩阵显示其对各类纹理均具备高精度识别能力，为基于摩擦电信号的织物表面形貌识别提供了新的思路。

材料与化学化工学院硕士研究生陈轶群和博士后黄金荣为论文第一作者，朱雨田教授、陈建闻副教授与南开大学刘遵峰教授为共同通讯作者。杭州师范大学为该论文第一完成单位。

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