2026年4月20日，来自开发了一种基于选择性区域光固化（LCD）3D 打印技术的吸湿性树脂，可用于打印复杂的微结构和柔性可穿戴设备，例如用于摩尔斯电码的指套式摩擦纳米发电机 (TENG) 和用于区分步态模式的鞋垫传感器。人体佩戴上这种光固化3D 打印的自供电植入式设备后，可以通过普通的身体运动为其充电，并且设备输出的电能随着湿度增加“不降反升”。这项以题为“3D-Printed Hygroscopic PolymerNetworks for
High-Humidity Triboelectric Nanogenerators to Wirelessly
PowerImplantable Electronic Devices- A Conceptual
Pathway”的论文发表在《先进功能材料》上的研究成果。
摩擦纳米发电机（TENG）是一种利用两种不同材料接触和断开时将机械运动转化为电能的装置，但长期以来，它们在潮湿环境中的表现一直不尽如人意。一旦相对湿度超过60-70%，吸附的水膜就会消耗掉积累的表面电荷，使其无法为外部电路供电。
△图示为基于摩擦纳米发电机（TENG）的反向散射通信（BackCom）系统向植入式能量采集装置传输能量的概念图，以及基于摩擦纳米发电机（TENG）的反向散射读取器为植入式装置充电的实验装置
人体皮肤、体腔和热带气候经常会超过这个阈值，这限制了 TENG 在可穿戴和植入式医疗电子产品中的应用。本研究开发的这种光固化树脂，设计目的是通过密集排列的极性化学基团来捕获水分子，而不是排斥水或密封装置以防止水分渗入。这使得结合水成为电荷产生的贡献者。
材料设计与性能
研究团队比较了三种用聚乙二醇二丙烯酸酯交联的丙烯酸单体网络，每种网络分别用羧基、羟基或酰胺基团修饰。含酰胺基团的配方表现出最强的湿度响应。
△LCD打印和光引发聚合的示意图
研究团队随后将磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（一种两性离子单体，分子内同时带有永久正铵电荷和永久负磺酸电荷）引入材料中。在5 wt%的添加量下，该材料在90%相对湿度下实现了45.6微安、802伏的电流和48.4瓦/平方米的峰值功率密度——约为先前报道的采用氯化锂和MXene/聚乙烯醇的耐湿摩擦纳米发电机的功率密度的两倍，且无需添加任何无机填料。
将两性离子含量增加到 10% 会逆转这种收益，因为离子聚集会增加电导率和介电损耗，使电荷过早地从薄膜中逸出。
从实验室到植入式应用
研究团队利用优化后的树脂，打印出了晶格结构、扭曲的六边形网络以及各种可穿戴设备，其中包括一款可通过敲击图案传输摩尔斯电码的指套，以及一款能够区分步行和跑步的鞋垫。他们甚至清晰地打印出了小至 80 微米的特征。最复杂的演示是将发电机与无线电力传输系统连接起来，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并存储在电容器中，电容器为反向散射通信读取器供电，读取器穿过猪皮向半被动式射频标签传输信号。标签采集了11至17毫瓦的功率；猪皮将信号衰减了36%至59%，但并未中断通信。
来源：南极熊
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