摘要：近年来，全球性的能源危机问题日益凸显，而摩擦电纳米发电机（TENG）作为一种新兴的可再生能源转换装置引起了人们的广泛关注。根据接触界面的不同，TENG可以分为固-固TENG、固-液TENG、液-液TENG和固/液-气TENG。其中，固-液TENG是一种基于固液

近年来，全球性的能源危机问题日益凸显，而摩擦电纳米发电机（TENG）作为一种新兴的可再生能源转换装置引起了人们的广泛关注。根据接触界面的不同，TENG可以分为固-固TENG、固-液TENG、液-液TENG和固/液-气TENG。其中，固-液TENG是一种基于固液界面接触的自供电装置，能够将流体机械能转化为电能，在自供电传感器、可穿戴及植入式发电设备以及自供电防腐等方面展现了巨大的应用潜力。研究表明，固液界面的摩擦电特性受液体类型、液体流动特性和固体摩擦材料性质的影响。为了实现对摩擦电特性的主动可逆控制，可以借助应力场、电场、光热场和磁场等外部场的作用，尤其是磁场，它提供了一种快速、稳定且非接触式的调控方法。然而，目前关于磁控可逆切换电输出的固-液TENG的研究相对较少，这使得深入研究磁场调控下液滴在固液界面上的摩擦电特性变得尤为重要。

近日，西安交通大学机械工程学院杨雷教授团队报道了一种多级复合结构的Ecoflex/NdFeB磁性聚合物表面（HCSMPS）及基于HCSMPS的磁控可逆切换固液摩擦电纳米发电机（HCSMPS-TENG），并与深度学习技术相结合，开发了实时监测系统，用于纯KCl溶液和KCl/NaCl混合溶液中的KCl浓度监测，除此之外，HCSMPS-TENG还被应用于静脉补钾过程中KCl浓度和输液流速的实时监测，展现出在治疗低钾血症中的应用潜力。该研究联合西安交通大学医学院附属红会医院开展，相关工作以“Reversibly Switchable Magnetically Controlled Solid-Liquid Triboelectric Nanogenerator Using Hierarchical Ecoflex/NdFeB Magnetic Polymer Surface”发表在《Advanced Functional Materials》。

HCSMPS制备与形貌表征

为了制造一种能够磁控且可逆切换的固-液TENG，制备一个磁控疏水表面是必要的。在这项工作中，研究者使用模板法与磁诱导法，制备了一种由Ecoflex硅橡胶和NdFeB磁粉组成的HCSMPS，其一级结构为片层状，由Ecoflex0010和NdFeB组成，通过模板法制备；二级结构为毛刺状，阵列分布在一级结构表面，由Ecolex0020和NdFeB组成，通过磁诱导法制备。与无二级结构下的一级结构相比，具有二级结构的一级结构在外部磁场的作用下呈现更大的弯曲程度，证明HCSMPS的表面形貌可受磁场控制，且响应快速、可逆切换，满足磁控可逆切换固液TENG中对固体摩擦层的要求。

HCSMPS的制备和形态特征。a) HCSMPS 的制备过程。b) 一级结构的横截面显微镜图像。c) 二级结构的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。d) 无二级结构时一级结构在磁场作用下的弯曲度。e) 有二级结构时一级结构在磁场作用下的弯曲度。蓝线表示 d) 和 e) 中一级结构的初始状态，红线表示一级结构在磁场影响下的弯曲状态。

HCSMPS-TENG的切换性能及摩擦电特性

HCSMPS-TENG由玻璃基板、铜电极及HCSMPS组成，采用单电极的工作模式。在不同外加磁场条件下HCSMPS-TENG呈现三种表面状态——无磁场状态、倒下状态、直立状态，分别呈现出不同的润湿特性。在水、3%KCl、6%KCl、9%KCl液滴的驱动下，HCSMPS-TENG在三种表面状态下均会产生不同的电流信号，其中倒下状态下电流最大、无磁场状态次之、直立状态最小，出现电流大小差异的主要原因是磁场作用下固液接触面积发生改变。

不同外加磁场条件下HCSMPS-TENG的可逆性和摩擦电特性。a) HCSMPS-TENG的结构示意图。b) HCSMPS-TENG的三种工作状态及相应的磁畴排列示意图：无磁场状态、倒下状态和直立状态。c) HCSMPS水接触角的切换稳定性和可逆性；插图显示了三种状态下HCSMPS上水滴的图像。d) HCSMPS-TENG 在单电极模式下的工作机制。e)-h) HCSMPS-TENG 在去离子水、3 wt% KCl、6 wt% KCl和 9 wt% KCl三种状态下的电流输出信号。i) HCSMPS-TENG电流输出在不同外加磁场条件下的调控机制。

不同浓度KCl对HCSMPS-TENG电输出的影响

由于HCSMPS-TENG在倒下状态下产生的电流最大，因此在该状态下测试了水、1%~10%KCl（以1%为梯度）的电流信号，随着KCl浓度的增加，HCSMPS-TENG的电输出呈现先增加后减小的趋势。在KCl浓度较低时观察到的电流信号增加主要是由于自由电荷的增加。然而，在KCl浓度较高时，电流输出下降的主要原因是表面离子吸附造成的屏蔽效应，抑制了电子的转移。

HCSMPS-TENG在KCl溶液质量分数变化时的摩擦电特性。a) 在去离子水和 1 wt% 至 10% KCl驱动下，HCSMPS-TENG 在倒下状态下的电流输出信号。b) 去离子水、3 wt% KCl、6 wt% KCl和 9 wt% KCl的电流信号平均峰值和转移电荷量。c) 每克去离子水、3 wt% KCl、6 wt% KCl和 9 wt% KCl的自由电荷量。d) 去离子水、3 wt% KCl、6 wt% KCl和 9 wt% KCl的接触角。e) 去离子水液滴与 HCSMPS 之间的接触起电机制。f) 高浓度氯化钾溶液液滴与 HCSMPS 之间的接触起电机制。

用于KCl浓度识别的深度学习方法

仅仅通过HCSMPS-TENG产生的电信号大小识别KCl溶液的浓度具有挑战性，对此研究者选择了在图像分类和物体识别方面具有极高准确率而著称的ResNet18-1D深度学习模型。根据KCl溶液的质量分数，电流数据被分为11组。每组80%的数据用于训练ResNet18-1D模型，每组剩余20%的数据用于测试模型的预测能力，经过训练后的模型具备98.64%的准确率。

识别氯化钾质量分数的深度学习方法。a) ResNet18-1D 模型的构建和数据处理工作流程。b) 基于深度学习Resnet18-1D模型的样本数据训练和测试过程。c) KCl质量分数识别的混淆矩阵。d) 基于训练后的Resnet18-1D模型的不同质量分数KCl聚类图。X轴和Y轴表示各点的位置关系。

基于HCSMPS-TENG的实时监测系统

为了更好地满足医学上对KCl实时监测的需求，研究者开发了基于HCSMPS-TENG的实时监测系统，并集成了ResNet18-1D模型。该系统配备了一个可远程传输数据的自制微型电流采集电路和一个LabVIEW用户界面，实现对KCl浓度的实时监测与识别。研究者还对实时监测系统进行了封装设计，实现液滴的回收利用。

基于HCSMPS-TENG的监测系统。a) 自行设计的电流收集电路的实际图像。b) 自行设计的电流采集电路的组成。c) 电流信号采集部分的原理图。d) 封装外壳的内部结构。e) 自行设计的电流收集电路收集到的完整信号。红框中的信号与图5f中的信号相对应。f) 利用 LabVIEW 人机界面的 KCl 浓度实时监测系统。g)-j) 自行设计的电流收集电路收集的去离子水、3 wt% KCl、6 wt% KCl 和 9 wt% KCl 驱动的 HCSMPS-TENG 在掉电状态下的电流信号。k)-m) KCl/NaCl 混合溶液（k) 中为 3 wt% NaCl 与 3 wt%、6 wt% 和 9 wt% KCl 混合溶液；l) 中为 6 wt% NaCl 与 3 wt%、6 wt% 和 9 wt% KCl 混合溶液；m) 中为 9 wt% NaCl 与 3 wt%、6 wt% 和 9 wt% KCl 混合溶液）驱动的HCSMPS-TENG在倒下状态下的电流信号。

HCSMPS-TENG在静脉补钾和混合溶液浓度监测中的应用

为了进一步扩展HCSMPS-TENG的应用，研究者利用上述系统探索了在KCl/NaCl混合溶液中同时监测KCl和NaCl浓度的能力，其识别准确率达到92.78%。除此之外，研究者还开发了适用于墨菲滴管的HCSMPS-TENG，用于监测静脉补钾期间的KCl浓度与液滴滴速，在医学上治疗低血钾症方面具有巨大潜力。

HCSMPS-TENG在静脉补钾和混合溶液浓度监测中的应用。a) HCSMPS-TENG 在混合溶液浓度监测中的应用。b) 混合溶液中 KCl 和 NaCl 浓度识别的混淆矩阵。c) HCSMPS-TENG 在静脉补钾中的应用。d) HCSMPS-TENG 在墨菲滴管中的电流信号。e)-h) HCSMPS-TENG 在蠕动泵速度为 5 rpm、10 rpm、15 rpm 和 20 rpm 时 10 秒钟内的电流信号。

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来源：科学要闻讯