Advanced Materials|高性能透明、可变形且可回收的仿生 Stevia–PVA 水凝胶摩擦电纳米发生器，具备机器学习辅助运动识别

文章来源：北科纳米专业的纳米材料合成专家浏览次数：21时间：2026-05-14 设计合成：18101240246

物联网和人工智能的快速突破推动了便携式、自主供电、灵活传感器设备的需求。具有高导电性、机械可调性、环境适应性和生物相容性的水凝胶，是开发摩擦电纳米发电机柔性传感器的巧妙方法。TENG 的应用受限于合适生物材料的稀缺以及对高导电性填充材料（如二维材料）的需求，这些填充物在透明度、输出和传感方面有所权衡。我们研究了一种独特、非常透明、高度可伸缩、高输出的仿生甜叶菊/PVA 水凝胶基摩擦电纳米发电机（S-TENG），以解决这一问题。由于其丰富的动态氢键，具有成本效益的仿生甜菊被添加到聚乙烯醇（PVA）中，以增强水凝胶的交联和结晶结构域。这些结构进步使 S-水凝胶的机械强度是二维、生物和透明材料基 TENG 的 2–5 倍，电输出是 3–8 倍，同时保持透明。S-水凝胶可通过水辅助溶解和再凝胶回收，保持其电压输出。改进后的 S-TENG 是一种自供能传感器，适用于多种人体动作，灵敏度极高，反应时间为 13 毫秒。XGBoost 方法在 11 个机器学习模型中以 95.29%的分类准确率最高，显示出自供能传感器在许多应用中的潜力。

该研究以题为“High-Performance Transparent, Deformable, andRecoverable Biomimetic Stevia–PVA Hydrogel TriboelectricNanogenerator with Machine Learning-Assisted MotionRecognition”发表在Advanced Materials上。

图1甜菊糖增强前后合成水凝胶网络的示意图。

总结

这项研究开发了一种基于甜菊糖（Stevia）增强的聚乙烯醇（PVA）水凝胶的摩擦纳米发电机（S-TENG），在透明度、机械性能和电输出方面都实现了显著提升。研究人员发现，甜菊糖中丰富的羟基（-OH）和羧基（-COOH）能与PVA形成大量氢键，不仅提高了水凝胶的交联密度和结晶度，还增强了离子导电性。当甜菊糖含量为10%时，水凝胶的拉伸强度超过25 MPa，断裂伸长率超过520%，透光率保持在70%以上，开路电压可达800 V，短路电流达50 μA，并在16,000次接触分离循环中保持稳定。这种S-TENG还具备快速自愈合能力，切割后重新接触即可恢复导电和机械性能。将S-TENG贴附在手指、手腕、肘部、膝盖和喉咙等部位，可以实时监测关节弯曲和咳嗽等动作，响应上升时间仅13毫秒，输出电压随弯曲角度线性增加。结合机器学习（XGBoost模型），该系统对五种动作的分类准确率达到95.29%。此外，研究还演示了基于S-TENG的无线手势控制游戏界面，展示了其在自供能人机交互、康复监测和智能可穿戴设备中的广阔前景。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.73030

北科纳米-学术前沿公众号


二维材料Frontier	生物纳米材料前沿	MXenes Frontier	纳米医学Frontier