煙草產(chǎn)品廢棄物的處理已成為一個(gè)緊迫的環(huán)境問題。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）因其能夠利用多種材料進(jìn)行傳感和能量收集，為廢棄香煙包裝的資源化利用帶來(lái)了可能性。然而，已報(bào)道的基于廢棄物的TENG存在廢棄物利用率低、制造成本高等問題。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，

文章提出了一種完全基于廢棄香煙包裝盒的柔性摩擦電傳感器。該傳感器原材料僅為煙草包裝的主要廢棄物，制備工藝簡(jiǎn)單，兼具環(huán)保與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。該傳感器對(duì)力具有的變化具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性。在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、坐姿模式識(shí)別、人機(jī)交互等應(yīng)用方面，該傳感器表現(xiàn)出色。它能有效感知關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和多種動(dòng)作產(chǎn)生的足底壓力變化；結(jié)合線性支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)4種常見的坐姿模式識(shí)別準(zhǔn)確識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)99.5%；基于該傳感器集成了可穿戴遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了救援小車的遠(yuǎn)程交互。本研究為廢棄香煙包裝的高值化利用提供了新的解決方案，在智慧體育、智能家居、災(zāi)害救援等多領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

圖1 FT-Sensor的結(jié)構(gòu)、制備工藝及其應(yīng)用。a) FT-Sensor的材料、結(jié)構(gòu)與制備工藝。b) FT-Sensor的原始狀態(tài)、彎曲狀態(tài)與扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。c) FT-Sensor在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、姿態(tài)識(shí)別與人機(jī)交互中的應(yīng)用。

圖2 a) FT-Sensor的工作原理；b)一個(gè)周期內(nèi)三個(gè)典型位置的電勢(shì)分布仿真。

圖3材料表征。a)采用的廢棄物材料。雙向拉伸聚丙烯薄膜的b)疏水性和c)傅里葉變換紅外光譜；鋁箔襯紙的d)導(dǎo)電性和e)表面微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 FT-Sensor的輸出特性。不同幅值力（1 Hz）下的a)輸出電壓；b)輸出電流和c)峰值輸出電壓擬合曲線；不同頻率力（20 N）下的d)輸出電壓和e)輸出電流；f)多周期下的輸出電壓；g)不同間隔層厚度（20 N, 1 Hz）下的輸出電壓；不同h)濕度和i)溫度條件（20 N, 1 Hz）下的輸出電壓。

圖5 FT-Sensor在人體關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)傳感中的應(yīng)用。a)肘關(guān)節(jié)不同彎曲角度下的輸出電壓；b)肘關(guān)節(jié)不同彎曲角度下的電壓幅值擬合曲線；(a)膝關(guān)節(jié)不同彎曲角度下的輸出電壓；(b)膝關(guān)節(jié)不同彎曲角度下的電壓幅值擬合曲線。

圖6 FT-Sensor在人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知中的應(yīng)用。a) FT-Sensor的粘貼位置；FT-Sensor對(duì)人體b)行走、c)跑步、d)跳躍、e)踮腳和f)正步動(dòng)作的電壓響應(yīng)。

圖7 FT-Sensor在坐姿識(shí)別中的應(yīng)用。a)基于FT-Sensor與支持向量機(jī)的姿勢(shì)識(shí)別流程；b)四個(gè)FT-Sensor對(duì)四種坐姿（正確坐姿、癱坐、向右歪坐、向左歪坐）的輸出響應(yīng)；坐姿識(shí)別結(jié)果的c)散點(diǎn)圖、d)驗(yàn)證混淆矩陣和e)測(cè)試混淆矩陣。

圖8 FT-Sensor在人機(jī)交互中的應(yīng)用。a)基于FT-Sensor的可穿戴遙控系統(tǒng)及其組成元件；b)電路圖；c)可穿戴遙控系統(tǒng)控制車輛運(yùn)動(dòng)的流程。

圖

9 FT-Sensor在機(jī)械手觸覺中的應(yīng)用。a) FT-Sensor在機(jī)械手的粘貼位置，以及被抓取的五個(gè)物品；b)五個(gè)手指抓取不同物品時(shí)的輸出電壓；抓取不同物品時(shí)的電壓幅值c）柱狀圖和d）雷達(dá)圖。

在這項(xiàng)工作中，F(xiàn)T-Sensor是一種完全基于廢棄香煙包裝的柔性摩擦電傳感器。該傳感器全部材料都來(lái)源于廢棄香煙包裝的三種主要組成部分，即紙殼、鋁箔襯紙和BOPP薄膜。結(jié)合簡(jiǎn)單的制備工藝，有效解決了傳統(tǒng)基于廢棄物的摩擦電傳感器對(duì)煙草產(chǎn)品廢棄物利用率低、制造成本高的問題，具備良好的環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性。

該傳感器的工作原理是單電極TENG，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接線方便、體積小、可對(duì)折彎曲等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)測(cè)試，其輸出電壓幅值與外部力的大小呈線性關(guān)系，靈敏度為0.104 V/N，且基本不受外力頻率影響。它擁有循環(huán)加載下的穩(wěn)定輸出（超6000次循環(huán)），能夠滿足多個(gè)領(lǐng)域的人體生物力學(xué)監(jiān)測(cè)需求。

在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，F(xiàn)T-Sensor能感知關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和足底壓力變化，不同動(dòng)作的傳感信號(hào)在波形、幅值、頻率上展現(xiàn)出明顯差異。在坐姿識(shí)別方面，利用4個(gè)FT-Sensor采集信號(hào)，經(jīng)預(yù)處理、特征提取和SVM實(shí)現(xiàn)4種坐姿模式（正確坐姿、癱坐、向右歪著坐、向左歪著坐）識(shí)別，驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)99.3%，測(cè)試準(zhǔn)確率達(dá)100%，總體識(shí)別準(zhǔn)確率為99.5%，能準(zhǔn)確識(shí)別正確坐姿與多種不良坐姿并及時(shí)提醒。

在人機(jī)交互方面，基于FT-Sensor的可穿戴遙控系統(tǒng)集成了信號(hào)采集、處理與無(wú)線傳輸功能，可靈活控制救援小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了救援小車的遠(yuǎn)程交互。同時(shí)，可作為機(jī)械手觸覺傳感器感知不同形狀的物品。總之，本研究為廢棄香煙包裝的高價(jià)值轉(zhuǎn)化提供了一條可持續(xù)且實(shí)用的路徑，將環(huán)境可持續(xù)性與柔性電子技術(shù)發(fā)展緊密結(jié)合，在智慧體育、智能家居、災(zāi)害救援等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

來(lái)源：https://doi.org/10.1002/adsu.202500409