FlexMat文章精选: 南京邮电大学李巍教授团队 | 铁驻极体纳米发电机(FENG)引领智能医疗新变革

FENG的制备旨在形成稳定电荷分布的微孔结构。常用材料包括聚丙烯（PP）、氟化乙烯丙烯（FEP）、Ecoflex弹性体及膨体聚四氟乙烯（ePTFE）等。多孔结构制备方法包括高压气体注入法、无水乙醇混合加热加热法、3D打印网格复合结构法、溶剂交换法（适用于离子凝胶复合）等。尤其关键的是植入应用的生物相容性封装（如聚酰亚胺PI膜），可有效隔离体液，降低免疫风险。

图1 FENG的制备方法。(a) 包含四个传感器单元（A1 ~ A4）设备的原理图 (b) 由3d打印TPU网格和FEP层组成的夹层结构。(c) 高可拉伸FENG制造工艺示意图。 (d) 高压注气结合无机小颗粒制备FENG的典型方法。

1. 在血液循环系统，柔性压电超声能量收集（PUEH）阵列可利用超声波无线供电给植入设备（如起搏器、神经刺激器），即便在组织深处仍保持高效；而自供电FENG脉搏传感器则能高精度捕捉桡动脉搏动，用于实时心率监测及中医脉象现代化分析，甚至集成于智能坐垫实现无感监测。

图2 FENG在血液循环中的应用。(a) PUEH结构示意图。(b) 办公室久坐人群健康管理平台示意图。(c) 脉象监测实验装置示意图。(d) 脉冲传感监测系统概念。

2. 针对呼吸系统，置于床下的非接触式FENG传感条可无扰监测睡眠呼吸模式、心率和变异性，性能媲美商用设备；集成超薄FENG传感器（仅5.5µm厚）的智能口罩更能无线识别呼吸状态（正常、急促、咳嗽、屏气），为呼吸管理提供新工具。

图3 FENG在呼吸系统中的应用。(a) 睡眠监测传感器的结构示意图。(b) 非接触式睡眠监测系统的示意图。(c) 睡眠监测传感器与商用压力传感器之间压力响应曲线的比较。(d) FENG远程监控传感器。(e) 睡眠监测传感器的位置描述。(f) 配备超薄FENG的智能口罩。(g) 由Au-Au键固定的两层Au/聚对二甲苯/聚四氟乙烯AF膜构成。(h) FENG在呼吸系统中表现出良好的输出稳定性。

3. 在肌肉运动领域，基于LIG和多孔Ecoflex制备的 FENG可制成智能肌贴，实时捕捉肌肉关节信号，助力运动矫正与评估；同时，集成于手套的柔性传感器能精准识别手势动作，结合AI算法分类准确率超96%。更令人瞩目的是传感-致动一体化设计，部分FENG器件可同时感知运动并产生触觉反馈，为人机交互开辟新径。

图4 FENG在肌肉运动中的应用。(a) 篮球运动员使用FENG来收集运动信号。(b) 展示了柔性FENG薄膜。(c) 显示了推荐的传感器放置位置。(d) 可穿戴纺织品衬底上基于pp的触觉传感器。(e) 压电极体致动器/传感器结构示意图。(f) 基于FENG传感器的可穿戴设备。

4. 面向神经反射调控，柔性压电薄膜可植入脑部，其弯曲产生的电能直接刺激运动皮层成功诱发动物肢体动作；高效超声能量收集器（H-UEH）则能经皮供电刺激外周神经（如迷走神经、坐骨神经），展现出神经修复潜力；此外，FENG还被用于研究脑部力学响应，深化对脑损伤机制的理解。

图5 FENG在神经反射中的应用。(a) 柔性神经信号收集装置。(b) 柔性神经信号收集装置的理论模型。(c)、(d) 动物实验演示。(e) H-UEH作为植入式生物电子学用于能量供应和神经修复的示意图。(f) 超声驱动H-UEH刺激周围神经的示意图。(g) 显示孔洞和银电极的FENG横截面。(h) 放置在脑中的FENG。(i) FENG输出电荷放大电路。

尽管前景广阔，FENG迈向实际应用仍面临核心挑战：生物相容性与长期稳定性（需抵御体液侵蚀、免疫排斥及环境干扰）、输出一致性与可靠性（复杂生理环境中的信号稳定性）、系统集成与智能化（融合微处理与无线通信）、以及商业化进程加速（工艺成熟与成本控制）。

未来突破点在于：开发更高性能、更稳定的新材料；通过表面改性优化生物界面；实现多模态（电/力/光等）传感集成；构建高效能量收集-存储-管理回路；并大力拓展在慢性病管理、康复辅助及神经疾病治疗等场景的临床应用。