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超薄可拉伸可扭转铁电驻极体纳米发电机用于面部肌肉检测

发布时间：2026-08-19 14:54:10 丨 浏览次数：

　　铁电驻极体纳米发电机（FENG）因其独特的多孔结构与优异压电性能受到关注，然而现有多数FENG缺乏足够拉伸性与柔性，限制了其在可穿戴电子领域的应用。为此，研究人员基于Ecoflex开发了一种由石墨烯、Ecoflex与无水乙醇构成的超薄可拉伸可扭转铁电驻极体纳米

　　铁电驻极体纳米发电机（FENG）因其独特的多孔结构与优异压电性能受到关注，然而现有多数FENG缺乏足够拉伸性与柔性，限制了其在可穿戴电子领域的应用。为此，研究人员基于Ecoflex开发了一种由石墨烯、Ecoflex与无水乙醇构成的超薄可拉伸可扭转铁电驻极体纳米发电机（UST-FENG），其孔隙形状与密度可控。该器件厚度仅860 μm，断裂伸长率高达574%，杨氏模量仅0.2 MPa，准静态压电系数约为38 pC/N。利用UST-FENG可识别眨眼与说话等面部肌肉运动，从而辅助监测人脸状态并提升生活质量。UST-FENG在面部肌肉识别中的成功应用，是可穿戴人脸系统领域的重要进展。

　　研究背景方面，随着物联网与人工智能快速发展，铁电驻极体纳米发电机（FENG）作为潜在柔性电子材料被广泛关注。FENG是具有泡孔结构与内部准永久偶极矩、可表现宏观压电效应的聚合物薄膜，但传统化学发泡等方法难以控制孔隙形貌与分布，导致极化时电场不均、电荷排列低效，且多数FENG拉伸性不足，限制其在人脸等动态曲面上的可穿戴应用；同时聚丙烯（PP）等材料回收困难，Ecoflex作为可生物降解绿色硅胶具备高拉伸与柔性优势。为此，研究人员开展基于Ecoflex的超薄可拉伸可扭转FENG（UST-FENG）研究，采用激光切割控孔、石墨烯电极与电晕极化，实现孔隙可控、厚度860 μm、断裂伸长率574%、杨氏模量0.2 MPa、准静态d

　　约38 pC/N的器件，并成功用于眨眼与说话信号自供电检测，为面部可穿戴与康复监测提供新路径。该文发表于《Nanoenergy Advances》。

　　主要关键技术方法上，研究人员以Ecoflex（T00）为基材旋涂成膜，中层UV激光切割16×16（共256个直径2 mm）圆孔阵列控孔，上下层Ecoflex表面刮涂石墨烯粉体作柔性电极，聚氨酯（PU）医用膜封装；采用电晕极化在孔洞上下表面束缚异号电荷；通过COMSOL耦合静电场与固体力学场施加4.5 kPa边界载荷仿真电位与位移；利用万能试验机测应力-应变，静动态力下测开路电压与电荷，红外静电场计测表面电位，电荷放大器与采集卡测d

　　，人脸眼周与口周贴附实测肌电响应。样本为人脸自身肌肉运动，无外部生物队列。

　　研究结果部分，3.1 UST-FENG工作原理中，SEM显示石墨烯电极致密平滑（未拉伸电阻1.9 kΩ/cm，拉伸100%为2.5 kΩ/cm），截面孔形规整；电晕极化使孔洞内气体击穿、上下表面束缚电荷，受压时偶极矩变化释放束缚电荷产生宏观压电效应。3.2 性能仿线 kPa挤压下边界最大位移0.12 mm，孔区中心高电位周边低，变形后电荷释放电位降低。3.3 压电性质中，65 N快速压缩峰值开路电压1.5 V，极性反转信号反相；拉伸断裂伸长574%、断裂应力1.34 MPa、杨氏模量0.2 MPa；14 kV充电时上下表面电位1.44 kV/-1.38 kV，3天衰减9%，准静态d

　　峰值38 pC/N（4 kPa处约39 pC/N）；0~25 kPa静载电荷正相关；动态d

　　在20 Hz共振峰34 pC/N，较静态差10.53%。4 面部肌肉检测中，眼周贴附闭眼负信号睁眼正信号实时对应眨眼；口周说话张口正信号闭口反信号对应开口频率；自供电输出功率12 μW，可助失语或面瘫患者传信及疲劳驾驶监测。

　　讨论与结论部分，研究人员指出UST-FENG以可控孔形、Ecoflex绿色基底与石墨烯电极协同解决传统FENG孔隙无序与拉伸不足问题，厚度860 μm、断裂伸长574%、模量0.2 MPa、d

　　≈38 pC/N使其在人脸微小形变下稳定发电；人脸肌检成功验证其在可穿戴人机接口、康复反馈与电子皮肤延伸价值。结论原文意译：本研究通过面向面部肌肉识别的UST-FENG开发，丰富了可拉伸软质自供电压电纳米发电机体系；实验证实其机械与自供电传输能力，厚度860 μm、断裂伸长574%、杨氏模量0.2 MPa、准静态d

　　约38 pC/N，静动态稳定；该器件可识别眨眼与说话等面部动作，监测人脸状态、辅助面部损伤康复，为皮肤智能运动传感与机器人电子皮肤开辟新途径。