近日，杭州师范大学朱雨田教授团队联合南开大学刘遵峰教授在《Advanced Functional Materials》发表最新研究成果，题为《Seamlessly Integrated, High-Output and Robust Triboelectric Nanoyarns: Continuously Electrospun Core-Sheath Architectures for Multimodal Sensing Platforms》。该研究基于多尺度结构设计，将镀银尼龙导电纱芯与含有无铅钙钛矿Cs₃Bi₂Cl₉的PVDF-TrFE复合鞘层相结合，通过连续共轭静电纺丝技术制备出单电极同轴纳米纤维纱线TENG（CNY-SE-TENG），实现了输出性能与运行稳定性的同步提升。基于这种无缝集成的纳米纱线，研究团队开发了多种功能应用，包括交互式古筝数字化界面、自供电摩尔斯电码通信平台，以及准确率达95.83%的织物识别系统。该研究为高性能、可穿戴兼容的摩擦电纱线提供了新材料设计与系统集成路径，展现了其在人机交互与智能传感领域的应用前景。

  当前，摩擦电纳米发电机（TENG）因其能将环境中广泛的机械能转化为电能的特性，在能量收集和智能传感领域引起了广泛关注。其中，织物基TENG凭借其固有的柔韧性、透气性以及与日常服装的无缝集成潜力，被视为构建自供电可穿戴设备的理想平台之一。为了提升其电输出性能，研究普遍集中于对摩擦电材料（如PVDF及其共聚物）进行功能填料复合，并借助静电纺丝等工艺优化纤维表面形貌。然而，现有基于静电纺丝的织物基TENG主要采用多层的“三明治”结构，这导致了机械刚性增强、透气性下降、界面稳定性不足，同时也限制了其在纺织加工中的集成兼容性与人体动态贴合性。因此，如何在提高输出性能的同时，突破传统多层架构的固有限制，实现TENG在织物中的结构一体化、穿戴舒适性与运动兼容性的协同，成为推动其走向实际可穿戴应用亟待解决的核心科学问题。

结构调控与性能优化

  该研究通过共轭静电纺丝技术，制备出一种具有连续核鞘结构的高性能摩擦电纳米纱线。该结构以镀银尼龙纱线为导电芯层，表面均匀包覆PVDF-TrFE纳米纤维鞘层，形成稳定的一体化结构。该纱线不仅具备良好的柔韧性，还可通过编织实现图案化与复杂结构加工，显示出优异的二次加工能力。为进一步提升性能，研究团队引入无铅钙钛矿Cs₃Bi₂Cl₉作为功能填料。材料表征结果表明，钙钛矿与PVDF-TrFE基体之间存在明显的界面相互作用： CFH/CH₂偶极与[Bi₂Cl₉]^3-簇团中的Cl^-离子之间产生了C-H···Cl离子-偶极相互作用，有效诱导聚合物链发生全反式构象转变，从而进一步促进极性β相结晶的形成，提升材料的介电性能。

图1. a) 连续共轭静电纺纱制备CNYs的示意图；b) PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉ CNYs的照片：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的XRD图谱；d) Cs₃Bi₂Cl₉的SEM图像及元素分布图；e) Cs₃Bi₂Cl₉与PVDF-TrFE相互作用示意图；f) 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ν_as(CH₂)基团FT-IR光谱。

图2. a–c) PVDF-TrFE CNYs：a) 低倍SEM图像，b) 高倍SEM图像，c) 截面SEM图像及F和Ag元素EDS面分布图；d–f) 添加0.75 wt.% Cs₃Bi₂Cl₉的CNYs：d) 低倍SEM图像，e) 高倍SEM图像，f)横截面SEM图像及F和Ag元素EDS面分布图；g) 不同Cs₃Bi₂Cl₉含量（0 wt.%–1.0 wt.%）的PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉复合材料的FT-IR光谱，h)β相含量；i)介电常数。

  通过对纺丝牵引速率、钙钛矿填料浓度及织物编织结构的协同优化，TENG在最佳条件下实现了83.7 mW m-2的功率密度。该器件展现出卓越的环境稳定性与机械耐久性，在50400次循环测试、长期储存及多次洗涤后仍保持稳定的电信号输出。同时，器件具备优良的透气性与生物相容性，为其在可穿戴电子领域的实际应用提供了可靠保障。

图3. a) CNY-SE-TENG的工作原理示意图；b) CNY-SE-TENG的模拟电势分布图；c) CNY-SE-TENG电子转移的电子云势阱模型；d) 不同牵引速率制备的纱线CNY-SE-TENG的开路电压；e) 不同Cs₃Bi₂Cl₉负载量CNY-SE-TENG的输出电压，f) 短路电流，及g) 转移电荷。

图4. a) 不同位移距离， b) 不同频率下TF-SE-TENG的开路电压；c) TF-SE-TENG的开路电压和瞬时功率密度随不同负载电阻的变化关系；d) 不同施加力作用下TF-SE-TENG的开路电压；e) TF-SE-TENG的输出电压随施加压力的变化函数；f) TF-SE-TENG在50400次循环中的稳定性测试。

图5. a) 本工作与已报道纱线基TENG的功率密度和耐久性对比；b) TF-SE-TENG储存4个月后的输出稳定性；c) TF-SE-TENG与其他纺织品的水蒸气透过率对比；d) 展示TF-SE-TENG透气性展示；e) TF-SE-TENG、创可贴和TPU薄膜的皮肤刺激性对比。f) B16细胞生长的光学显微镜图像；g) 不同Cs₃Bi₂Cl₉掺入量TF-SE-TENG的水接触角；h) 红色染料水滴滴落（上图）和浸渍（下图）TF-SE-TENG的过程照片；i) 经过5次洗涤循环后TF-SE-TENG的输出稳定性。

CNY-SE-TENG的多功能应用

  该研究通过连续共轭静电纺纱制备的纳米纱线，在多个应用场景种展现出良好的潜力：

  1）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，还可复现《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。

  2）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。

  3）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。

图6. 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) 安装在指关节上的CNY-SE-TENG编码数字序列“2025”的输出电压信号。

图7. 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。

  本研究通过可规模化的静电共轭纺纱技术，结合多尺度结构工程策略，成功开发出一种高性能的CNY-SE-TENG。该器件在多个领域展现出应用潜力，具体包括用于交互式古筝数字化界面、自供电摩尔斯密码通信平台以及基于一维卷积神经网络的织物识别系统。该研究为开发兼具高性能与良好穿戴兼容性的摩擦电纱线提供了新材料设计与系统集成思路，推动了TENG在智能可穿戴领域的实用化进程。

  论文信息

  标题：Seamlessly Integrated, High-Output and Robust Triboelectric Nanoyarns: Continuously Electrospun Core-Sheath Architectures for Multimodal Sensing Platforms

  作者：Yiqun Chen, Jinrong Huang, Zixuan Liu, Yi Zou, Jianwen Chen, Zunfeng Liu, Yutian Zhu

  期刊：Advanced Functional Materials

  DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202523166