[启明增材制造]对于可穿戴和植入式医疗电子设备，摩擦纳米发电机（TENG）起着自供电能源和自驱动传感的双重作用。

摩擦纳米发电机的工作原理很简单：两种不同材料接触分离，把机械运动变成电能。然而一旦空气中水汽过多，吸附的水膜会在电荷还没干活之前就把它“泄掉”，相对湿度超过 60%-70%，传统 TENG 的性能就会断崖式下跌。

人体皮肤、体腔以及热带气候经常会超过这一湿度阈值，从而限制了摩擦纳米发电机（TENG）在可穿戴和植入式医疗电子设备中的可行性。

近日，一项发表于《先进功能材料》的研究，用一款3D打印的光固化树脂给出了一个反直觉的答案：湿度越高，输出越强。该研究中开发的光固化树脂，其设计思路并非排斥水或封堵湿气侵入，而是通过密集排列的极性化学基团主动捕获水分子，从而使结合水帮助电荷生成。

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材料设计与性能

研究团队对比了三种以聚乙二醇二丙烯酸酯交联的丙烯酸单体网络，分别带有羧基、羟基或酰胺基团。其中，含酰胺基团的配方对湿度的响应最强。随后，团队加入了磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯——一种在同一分子内同时带有永久正电荷铵基和永久负电荷磺酸基团的两性离子单体。

在添加量为5 wt%时，该材料在90%相对湿度下达到了45.6微安、802伏的输出，以及48.4瓦每平方米的峰值功率密度——约为此前报道的、使用氯化锂和MXene掺杂聚乙烯醇的耐湿摩擦纳米发电机功率密度的2倍，且无需添加无机填料。

但要注意的是，当两性离子含量增加至10%时，效果发生逆转：离子聚集导致电导率和介电损耗上升，使电荷过早地从薄膜中逸出。

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从实验室到植入式应用

研究团队使用优化后的树脂，打印了晶格结构、扭曲六边形网格以及可穿戴器件，其中包括一个通过敲击模式传输摩斯电码的手指套，以及一个能够区分行走与跑步的鞋垫。打印特征尺寸可清晰分辨至80微米。

最复杂的演示是将该发电机与一个无线电力传输系统耦合，该系统旨在模拟通过人体组织为植入式电子设备充电。整流器将交流电转换为直流电，并将能量储存在电容器中，随后为一个反向散射通信阅读器供电，该阅读器通过猪皮向半无源射频标签传输信号。标签接收到的功率为11至17毫瓦；猪皮使信号衰减了36%至59%，但并未中断通信链路。

该研究成果发表于《先进功能材料》期刊，为一种完全可打印、借助湿度增强性能的摩擦电材料铺平了道路，使其有望成为自供能植入式设备的候选平台——患者可通过日常身体运动为这些设备充电。