柔性电子大牛，最新ACS Nano：全聚氨酯纳米网摩擦电装置，实现吞咽与语音双模态监测

吞咽和发声是人类赖以生存的基础功能，其背后涉及复杂的喉部生物力学过程，包括神经肌肉的协调激活、软组织形变及多尺度结构相互作用。对这些过程进行持续、无创的监测，对于医疗健康（如吞咽障碍评估、言语疾病诊疗）和人机交互（如辅助沟通技术）具有重要意义。然而，喉部区域在吞咽和说话时会发生大幅变形、持续动态运动且曲率复杂，给可穿戴监测带来了巨大挑战。传统的临床技术，如视频荧光吞咽造影和光纤内镜评估，虽能提供有价值的信息，却不适用于日常持续监测。现有的可穿戴系统多采用弹性体、刚性基底或辅助界面层来实现稳定贴合，但这些连续膜状结构在喉部高度动态的运动中会增加机械负担，并因其厚度和结构设计而降低透气性。因此，开发一种兼具柔软贴合皮肤、高透气性和低机械负担的传感界面，对于喉部动态监测至关重要。

针对上述挑战，东京大学Takao Someya教授、Tomoyuki Yokota教授和清华大学任天令教授合作团队开发了一种全聚氨酯（PU）纳米网摩擦电传感器，该传感器在喉结上方形成柔顺界面，用于吞咽和语音的多模态监测。其多孔的纳米网直接接触皮肤，无需中间凝胶或体相层，从而保持了透气性和共形接触。与代表性的连续聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜相比，纳米网器件的水蒸气透过率提高了约14倍，且在模拟喉结压缩时所需的机械功仅为前者的13%。通过热压辅助稳定化处理，在保持PU纳米网高拉伸性的同时，将初始电极电阻降低了85%，并抑制了30%应变下的电阻增加。该器件可检测频率为几赫兹的吞咽相关喉部运动，以及100–300赫兹范围内的语音相关振动，声学共振频率约为150赫兹。集成了紧凑型无线模块后，平台能捕捉到对应喉部升降的W形吞咽信号，并在不同颈部姿势下保留可测量的发声信号，信噪比达9.0–21.4分贝。这些结果确立了基于纳米网的、透气且机械柔顺的喉部界面用于多模态喉部传感。相关论文以“An All-Polyurethane Nanomesh Triboelectric Sensor for Swallowing and Voice Detection”为题，发表在ACS Nano上。

【器件结构与概念】

如图1a所示，全PU纳米网摩擦电传感器被贴附于喉部上方（喉结区域），无线模块则固定于颈部，两者通过细导线连接。由于喉部显著的曲率和持续动态运动，柔顺的PU纳米网能在喉部运动时紧密贴合皮肤表面（图1b）。该传感器能将吞咽时喉结的升降运动以及发声时的振动信号转化为电输出，实现对吞咽和发声两种主要喉部功能的同步检测。从横截面示意图可见（图1b），仅三层纳米网传感区域覆盖喉结，而医用薄膜和支撑框架则限制在周围区域，这种结构既保证了透气性，又最大限度地减少了对喉部运动的机械约束。器件的详细结构如图1c所示，它由三层静电纺丝制备的PU纳米网堆叠而成：顶层和底层为PU纳米网电极（通过热压处理并在其上真空沉积金或铝），中间层为未经处理的原始纳米网。扫描电镜（SEM）图像显示，热压处理通过部分熔融和重新连接相邻纤维，增强了纤维间的连接点。该多层结构基于摩擦起电原理工作：振动和机械压力使三层之间发生接触和分离，从而实现无需外部电源的自供电信号生成。整个传感器重约2.3克，厚度小于1.5毫米。

【机械性能与透气性表征】

为定量评估界面带来的机械负担，研究使用模拟喉结的夹具，将纳米网器件与常用喉部界面材料（医用薄膜、PDMS和聚对二甲苯）进行了压缩机械功对比（图1d）。结果显示，铝电极器件和金电极器件的所需机械功分别为0.25毫焦和0.30毫焦，显著低于医用薄膜（1.60毫焦）、PDMS（2.15毫焦）和聚对二甲苯（8.02毫焦）。此外，基于瓶式蒸发测试证实了纳米网器件的高透气性：铝电极和金电极纳米网器件的水蒸气透过率分别为951.2和939.6克/平方米/天，接近无覆盖参照条件（985.4克/平方米/天），且远高于医用薄膜、PDMS和聚对二甲苯。这些定量结果表明，纳米网结构在保持共形皮肤接触和高透气性的同时，有效降低了喉部形变时的机械负担。

图1. 全PU纳米网摩擦电传感器的结构与概念。 (a) 贴附于喉部并集成无线模块的全PU纳米网摩擦电传感器照片。 (b) 吞咽和发声期间的代表性信号及相应的喉部运动，以及传感器贴附于喉结上方的横截面示意图。 (c) 摩擦电传感器结构示意图及PU纳米网的相应SEM图像。 (d) 铝电极和金电极器件在模拟喉结压缩过程中的机械功，并与对比材料（包括医用薄膜、PDMS和聚对二甲苯）进行比较，评估为冲程范围内的积分力（n=3）。

【电极处理优化与力学电学性能】

静电纺丝PU纳米网虽然高度柔韧，但其不规则的纤维网络可能导致电极在形变下稳定性不足。研究对比了热压处理与原始纳米网及聚对二甲苯涂层对照组的性能（图2）。SEM图像显示，所有样品均保留了多孔纳米纤维网络，纤维半径在热压后仅从330纳米微变至345纳米，而聚对二甲苯涂层因保形沉积使纤维半径增至476纳米。拉伸测试（图2a）表明，热压纳米网在15%应变前力-应变响应与原始样品几乎相同，保留了本征拉伸性；而聚对二甲苯涂层样品在约3%应变处斜率显著增加。在电阻稳定性方面（图2b–c），热压和聚对二甲苯涂层均显著抑制了电阻增加：原始样品在30%应变下峰值电阻变化约2900%，热压样品降至600%，聚对二甲苯涂层样品降至550%。但释放后，热压样品电阻几乎恢复至初始值，而聚对二甲苯涂层样品残留较大增幅。热压样品初始电阻为24.0欧姆，拉伸后仅增至35.7欧姆，综合导电性和机械耐久性最佳。进一步优化热压条件（150°C，0.6 MPa，5分钟）可在保留多孔结构的同时实现纤维节点部分热键合。

图2. 不同处理条件下PU纳米网的力学和电学表征。 (a) 原始、热压和聚对二甲苯涂层样品的拉伸力-应变曲线。 (b) 金沉积（100纳米）纳米网电极在拉伸至30%应变及随后释放过程中的归一化电阻变化（ΔR/R₀）。 (c) 拉伸前后（n≥8，平均值±标准误）的初始和最终电阻。

【摩擦电输出性能与机制】

为了评估器件对吞咽相关喉部运动的传感适用性，研究在周期性机械加载下评估了其响应（图3a）。开尔文探针力显微镜（图3b）显示，铝沉积PU纳米网的表面电位（1681毫伏）与原始PU纳米网（962毫伏）之间的差异远大于金沉积PU纳米网（680毫伏）与PU的差异。因此，在相同加载条件下，铝电极器件的输出显著高于金电极器件（图3c）：平均峰值开路电压分别为6.97伏和2.80伏，短路电流为65纳安和7.7纳安，转移电荷为3.39纳库和1.57纳库。负载电阻测试（图3d）表明，最佳负载电阻为100兆欧，此时最大功率密度达216微瓦/平方米。压力响应测试显示，铝电极器件在约100千帕内呈线性响应，灵敏度为6.1毫伏/千帕。耐久性测试（图3e）表明，在1000次循环机械加载后，50周期分箱电流振幅变化小于12.6%，在额外的压缩-拉伸循环测试中，分箱平均电流偏差不超过初始值的20.1%，证明了器件的机械鲁棒性和电稳定性。

图3. 基于PU纳米网的摩擦电传感器在机械加载下的器件结构、表面电位分析及电输出特性。 (a) 测量装置示意图。 (b) 金沉积PU纳米网、裸PU纳米网和铝沉积PU纳米网的表面电位图像及相应分布。 (c) 周期性机械加载下的开路电压、短路电流和转移电荷。 (d) 铝电极器件的电流密度和功率密度作为负载电阻的函数（n=8个周期，平均值±标准差）。 (e) 铝电极器件在100兆欧负载电阻下，1000个周期内输出电流的周期稳定性（50周期分箱；平均值及第10–90百分位范围）。

【声学振动响应与语音传感特性】

研究者进一步评估了传感器在声学激励下的表现，以验证其用于语音相关振动传感的适用性（图4a）。传感器被安装在带有开放窗口的3D打印支撑框架上，使暴露的三层纳米网区域作为有效声学传感面积。频率响应测试（图4b）显示，铝和金电极器件均在约150赫兹处出现明显共振，随后高频响应迅速下降，该频率范围与人类发声的主要低频分量重叠。铝电极器件在150赫兹、声压级102分贝时的最大输出幅度为95.6毫伏，金电极为85.8毫伏。代表性时域波形（图4d）展示了不同频率下的输出。结构参数影响分析和有限元分析表明，该共振峰源于三层纳米网结构的机械共振。声学灵敏度经计算为29.5毫伏/帕。环境稳定性测试显示，输出随温度和湿度升高而下降，归因于吸附水分对摩擦电荷的耗散。

图4. 基于PU纳米网的摩擦电传感器在声学振动下的表征。 (a) 使用声压的测量装置示意图。 (b) 声学激励下的频率响应，150赫兹处声压级为102分贝。 (c) 在150赫兹附近频率响应获得的最大输出作为声压级的函数（n=5，平均值±标准差）。 (d) 不同频率下的时域输出信号。

【无线集成与实时喉部监测演示】

通过集成无线模块，研究团队展示了该器件在实际喉部多模态监测中的实用性（图5）。吞咽信号记录（图5a）显示，受试者在吞咽水时，喉结的两次连续升降运动对应产生了W形的传感器输出波形，与视频运动追踪结果一致。语音信号记录（图5b）表明，得益于器件的高柔韧性和拉伸性，在自然颈部姿势以及头部左转、右转和向下转时，均能清晰记录到“The University of Tokyo”发声信号。传感器信噪比从自然姿势的21.4分贝变化为左转、右转和向下姿势的9.0、12.5和16.2分贝，虽然有所降低，但仍保留了可测量的语音信号。分析表明，信噪比下降主要源于头部转动导致的三层纳米网结构形变，减弱了层间有效接触和接触-分离动力学，而非发声本身减弱。

图5. PU纳米网摩擦电传感器用于多模态喉部监测的无线演示。 (a) 由摩擦电传感器和参考麦克风测量的吞咽信号，以及喉结运动的连续图像和相应的位移追踪（n=5个标注，平均值±标准差）。对摩擦电传感器信号应用了100赫兹低通滤波器。 (b) 在不同颈部姿势下发音“The University of Tokyo”时的语音信号，并与参考麦克风信号比较。两个信号均经过100至300赫兹的带通滤波。

【总结与展望】

本研究成功开发了一种全PU纳米网摩擦电传感器，用于柔顺的喉部监测。该器件实现了对吞咽相关运动和语音相关振动的多模态检测，同时保持了高柔韧性、透气性和共形皮肤接触。无线集成使其能够在实际条件下实时运行，且与传统界面材料相比显著降低了喉部形变时的机械负担。这些结果展示了纳米网摩擦电界面在高度动态体表进行多模态可穿戴传感的广阔应用前景。不过，研究也指出了若干现存局限，包括对温度和湿度的敏感性、三层纳米网结构中层间间隙的稳定性，以及需要在更大规模、更多样化的受试者群体中进行验证。解决这些问题对于确保其在长期实际皮肤应用中的可靠性和普适性至关重要。