基于多功能木质气凝胶的高性能压阻传感器与摩擦纳米发电机在智能家居系统中的应用研究

一、 主要作者、机构及发表信息 本研究由来自天津工业大学纺织科学与工程学院的王宁、雷通达、夏昭鹏、沙云笑，以及北京市产品质量监督检验研究院（国家市场监督管理总局家具健康与智能质量安全重点实验室）的孙树东、石强、袁飞品，联合青海省产品质量监督检验所的夏昭鹏共同完成。研究论文《Enhanced piezoresistive sensors and triboelectric nanogenerators based on multifunctional wood-based aerogels for smart home systems》已在线发表于学术期刊 *Advanced Functional Materials*，于2025年正式见刊（Adv. Funct. Mater. 2025, e21776）。

二、 研究背景与目的 本研究属于柔性/可穿戴电子器件与可持续能源技术交叉领域。在物联网时代，柔性可穿戴电子设备在健康监测、生理信号感知、运动状态检测等领域需求激增，这对其能源供应系统提出了更高要求。传统的化石能源储量有限且其使用加剧了温室效应，而广泛存在于人体运动和日常环境中的低频机械能则是一种未被充分利用的绿色能源。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）作为一种新型可持续能量收集技术，因其制造简单、成本效益高，成为解决分布式传感器网络和智能设备供电问题的有效方案之一。

木材作为一种天然多孔、可再生的生物质材料，在柔性电子和自供能系统应用中展现出潜力。然而，天然木材固有的力学和摩擦电性能通常不足以直接用于高性能TENG的制造。以往的研究大多通过功能化改性制备木质TENG（W-TENG），但这些材料往往具有绝缘性，功能单一，且其电输出性能（如开路电压、短路电流、功率密度）仍有待提升。

因此，本研究旨在开发一种多功能木质基复合导电气凝胶，以克服单一功能柔性电子器件的瓶颈。具体目标是通过调控轻木（Balsa Wood, BW）的结构，构建兼具高灵敏度压阻传感特性和优异电输出性能的TENG摩擦电层，从而实现材料的多功能化，并探索其在智能家居系统中的集成应用，包括绿色能量收集、运动监测和人机交互。

三、 详细研究流程与方法 本研究包含材料制备、表征、性能测试及集成应用等多个流程。

1. 多功能PCWA复合气凝胶的制备 研究以商业轻木为初始原料，通过多步化学处理和复合工艺制备了热塑性聚氨酯/碳化木质气凝胶（TPU/Carbonized Wood Aerogel, PCWA）复合材料。具体步骤如下： * 木质气凝胶（Wood Aerogel, WA）的制备： 首先，将切割成特定尺寸（例如10×10×3 mm³）的轻木块在乙醇中超声清洗。随后，进行选择性脱木质素处理：将样品浸入用醋酸酸化的NaClO₂水溶液中，在95°C下加热10小时，以去除木材中的木质素。接着，进行脱半纤维素处理：将脱木质素后的样品浸入8 wt.%的NaOH溶液中，在80°C下加热8小时，以去除残留的半纤维素。经过这两步化学处理，木材颜色由黄色变为白色，质量显著减轻。最后，通过冷冻干燥12小时，得到具有三维多孔结构的木质气凝胶（WA）。此过程去除了约99%的木质素和92%的半纤维素，使密度从0.155 g cm⁻³降至0.061 g cm⁻³，孔隙率高达97.1%，比表面积从3.6 m² g⁻¹显著增加至16.6 m² g⁻¹。 * 碳化木质气凝胶（Carbonized Wood Aerogel, CWA）的制备： 将WA在氮气气氛下进行碳化处理。以5 °C min⁻¹的升温速率加热至800°C，并在此温度下保持60分钟。经过综合权衡导电性和结构保持性，选择800°C作为碳化温度。碳化后得到的CWA保留了WA的波浪状层状多孔结构，并具备了导电性。 * PCWA复合材料的制备： 将TPU颗粒溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，在60°C下以120 rpm搅拌2小时，制备4 wt.%的TPU溶液。然后将CWA浸渍到TPU溶液中，通过真空辅助使溶液充分渗透进入CWA的多孔网络。最后在80°C下真空干燥3小时，获得最终的PCWA复合材料。TPU的加入旨在提高复合材料的力学性能和压阻特性，同时TPU作为一种相对正电性的材料，也有望增强其摩擦电性能。

2. 材料表征与性能测试方法 研究采用多种表征手段对材料的结构、形貌、化学成分及物理性能进行了系统分析。 * 形貌与结构表征： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察了BW、WA和PCWA的横截面和切向截面形貌，证实了化学处理后从蜂窝状到波浪层状多孔结构的转变，以及PCWA表面粗糙的微观结构。通过光学轮廓仪和原子力显微镜（AFM）进一步量化了PCWA的表面粗糙度，其最大相对表面粗糙度达到53 μm。 * 成分与孔隙分析： 采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）法和压汞法（MIP）测定了比表面积和孔径分布。通过国家标准方法（GB/T）测定了木质素、半纤维素和纤维素的含量变化。 * 表面电位测量： 利用开尔文探针力显微镜（KPFM）测量了TPU薄膜、WA、CWA和PCWA的静电表面电位（ESP）。结果显示，CWA的平均ESP最高（186 mV），PCWA经过TPU浸渍后ESP进一步提升至251 mV，表明其具有更强的正摩擦电极性。 * 压阻传感器性能测试： 将PCWA夹在两层铜箔电极之间，并用聚酰亚胺（PI）绝缘膜封装，制成柔性压阻传感器。使用数字源表（Keithley 2450）和自制柔性传感器性能检测器，测试了传感器在不同压力下的电阻变化。关键性能参数包括灵敏度（S = (ΔR/R₀)/ΔP）、响应/恢复时间、检测限、迟滞以及循环稳定性。灵敏度计算分为三个线性区间：0.01–0.5 kPa，0.5–2 kPa以及2 kPa以上。 * 摩擦纳米发电机（TENG）性能测试： 以PCWA作为正摩擦电层，聚四氟乙烯（PTFE）膜作为负摩擦电层，背面贴附铜箔作为电极，组装成基于垂直接触-分离模式的双电极TENG（PCWA-TENG）。使用静电计（Keithley 6517b）和数据采集卡测量其开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和短路转移电荷量（Qsc）。研究了压力、接触面积、工作频率、外部负载电阻等因素对输出性能的影响。通过整流桥和电容器构建了能量收集与存储系统，演示了其为小型电子设备供电的能力。此外，还制备了以PCWA同时作为摩擦电层和电极的单电极TENG（PCWA-TENG-s），以验证其一体制备传感器的可行性。 * 智能家居系统集成与应用演示： 将PCWA压阻传感器集成为3×3的传感器阵列，构建了密码输入和识别的智能门锁原型系统。将多个PCWA-TENG单元集成为4×4的阵列并覆盖天然木皮，构建了智能地板，用于步态监测和跌倒检测。此外，还将8个PCWA-TENG传感器集成到健身垫中，用于监测和识别标准与不标准的仰卧起坐姿势。利用基于卷积神经网络（CNN）的深度学习模型对六种不同的仰卧起坐姿势信号进行分类识别，模型包含三个卷积层，使用600组运动信号数据集进行训练和测试。

四、 主要研究结果 1. PCWA材料的结构与特性结果： SEM图像清晰显示，PCWA成功保留了WA的波浪层状多孔导电网络结构，且表面具有粗糙的微观形貌。高孔隙率（91.7%）和大比表面积（17.8 m² g⁻¹）得以保持。KPFM结果表明，碳化和TPU复合显著提升了材料的表面正电位，为高性能TENG奠定了基础。粗糙的表面结构有利于在受压时增加有效接触面积。

2. PCWA压阻传感器的卓越性能： PCWA传感器表现出极高的压力灵敏度和快速的动态响应。在低压区间（0.01–0.5 kPa），灵敏度S1高达174.83 kPa⁻¹；在0.5–2 kPa区间，灵敏度S2为8.28 kPa⁻¹。传感器具有低迟滞（0.8%）、快速响应时间（22 ms）和恢复时间（33 ms）、低检测限（10 Pa）以及优异的循环稳定性（超过3000次）。这些性能归因于其独特的波浪层状多孔结构（初始高电阻）和粗糙表面（初始高接触电阻），在受压时结构变形和接触面积增加导致电阻急剧下降。在高湿度环境（50-90% RH）下，传感器仍能保持良好的低压灵敏度。

3. PCWA-TENG的优异输出性能： 以PCWA为摩擦电层组装的TENG表现出显著优于纯WA-TENG和纯TPU薄膜-TENG的电输出性能。其开路电压（Voc）达到约198 V，短路电流（Isc）为36 μA，短路转移电荷量（Qsc）为58 nC。Voc值是WA-TENG的八倍。性能提升的原因在于：PCWA的三维导电网络使得摩擦产生的正电荷能够分散到材料内部乃至下电极附近，增大了分离时的电位差；同时该网络促进了电荷的快速转移，提高了电流峰值；其粗糙表面也增加了有效接触面积。PCWA-TENG在10 MΩ负载电阻下实现了5.64 W m⁻²的最大瞬时功率密度，并具有高达11.29 V N⁻¹的摩擦电灵敏度（压力<10 N时）。器件展现出良好的循环稳定性（10000次）、环境适应性（-10至40°C）和长期储存稳定性（10个月）。PCWA-TENG-s的成功演示证明了其无需额外电极即可作为一步法制造的自供能压力传感器的潜力。

4. 理论模拟与机理分析： 通过COMSOL Multiphysics软件模拟了PCWA-TENG在接触分离周期内的电势分布，直观展示了其工作机制。结合介质-介质接触模式的TENG理论模型进行分析，公式表明Voc、Qsc和Isc的提高可通过增大摩擦电层表面积（S）或减小有效厚度（de）来实现。PCWA的多孔气凝胶结构和粗糙表面恰好实现了这两点，从而从理论上印证了其高性能输出的原因。

5. 集成应用演示结果： * 智能交互： PCWA压阻传感器实现了LED灯的梯度亮度控制，并能通过识别手指弯曲手势翻译手语数字（1-9）。基于3×3传感器阵列的智能门锁系统可准确识别6位密码输入，实现安全解锁与报警功能。 * 能量收集与自供能传感： PCWA-TENG可通过手指敲击、行走等方式收集人体运动机械能，并为数百个LED灯供电或为电容器充电，进而驱动电子表等设备。其输出信号能有效区分慢走、快走、跑步和跳跃等不同运动状态。 * 健康与运动监测： * 智能地板： 集成了PCWA-TENG阵列的智能地板能够通过检测不同位置触发的电信号模式，区分正常行走和跌倒。跌倒时由于接触面积骤增，多个单元同时触发信号，系统可据此发出警报。 * 智能健身垫： 集成8个PCWA-TENG传感器的健身垫能够精确监测仰卧起坐过程中肩、手、腰等部位的压力信号，识别出“标准动作”、“上升不完全”、“回落不完全”、“左侧发力”、“右侧发力”等多种姿势。结合训练的CNN深度学习模型对六种姿势的分类识别准确率高达97.5%，为运动姿势矫正提供了科学工具。

五、 研究结论与价值 本研究成功开发了一种基于轻木衍生的多功能导电气凝胶PCWA。通过结构调控和功能复合，该材料同时具备了高灵敏度压阻传感和高效摩擦纳米发电能力。研究的核心结论是：PCWA独特的波浪层状多孔导电网络和粗糙表面微观结构，是其实现高性能压阻传感和增强TENG电输出的关键。

其科学价值在于：为单一生物质材料赋予多重功能（传感与发电）提供了一种有效的结构设计与制备策略；深化了对多孔导电材料在压阻效应和摩擦起电/静电感应耦合过程中作用机理的理解；展示了将木质基可持续材料与柔性电子、能量收集技术深度结合的可行性。

应用价值显著：PCWA基器件在智能家居系统（如智能开关、门锁）、人体运动监测（步态、跌倒）、自供能传感网络以及个性化健康管理（运动姿势矫正）等领域展现出广阔的应用前景。该研究突破了传统木质电子器件功能单一的局限，为开发低成本、高性能、环境友好的下一代柔性可穿戴电子产品提供了新思路。

六、 研究亮点 1. 材料创新： 创造性地通过“化学处理-碳化-聚合物复合”工艺，将天然轻木转化为兼具三维导电网络和特定微观形貌的多功能气凝胶（PCWA），实现了材料性能的跃升。 2. 性能卓越： PCWA基压阻传感器在极低压区（<0.5 kPa）表现出超高的灵敏度（174.83 kPa⁻¹）；PCWA-TENG实现了较高的综合电输出（198 V， 36 μA， 5.64 W m⁻²），其功率密度优于近年报道的多数同类器件。 3. 功能集成： 首次将基于同一PCWA材料的压阻传感器和TENG集成于统一的智能家居演示系统中，实现了从能量收集、运动感知到安全交互、健康监测的多场景、多功能应用，充分展现了材料的多功能性和系统集成潜力。 4. 机理深入： 结合KPFM、理论模型和模拟仿真，从表面电位、电荷分布、结构参数等多角度深入阐释了PCWA增强TENG输出的物理机制，使高性能的来源清晰可信。 5. 技术融合： 成功将深度学习（CNN）算法应用于对PCWA-TENG产生的复杂运动信号进行分类识别，提升了智能感知系统的准确性和智能化水平，展示了前沿算法与新型传感器融合的应用价值。

七、 其他有价值内容 研究还进行了初步的成本分析，指出所提出的PCWA基器件相比同类商用产品具有显著成本优势，并探讨了规模化生产面临的挑战（如轻木的可持续供应、工艺一致性）及潜在解决方案。这为该项技术从实验室走向实际应用提供了有益的思考。