进入21世纪,随着人口老龄化的不断加剧,老年人的身体健康状况不断下降,各类疾病对他们的生活带来了诸多不便。此外,人们越来越关注自身的健康状况,对身体健康信息的实时监测存在迫切需求。人体传感网络的提出为人体的健康监测提供了有效地途径,可实现人体健康信息的实时获取和监测,有助于解决人体健康的信息化和网络化,是健康医疗的发展方向。然而,分布于人体各处传感节点的供电需求成为阻碍传感网络持续监测、可穿戴和工作稳定的重要问题。传统传感器件及系统的能量供给大多采用电池或具有物理连线的电源,该方式大大限制了远距离健康监测,电池的定期更换也会带来诸多不便,这将对人体传感网络的实用性带来影响。此外,电池中含有毒有害的金属离子,存在潜在的环境污染和健康威胁。电子信息技术的飞速发展使电子产品不断趋于小型化、集成化和低功耗,通过能量采集技术为人体传感器网络供电并开发自驱动的传感器,可实现自驱动的人体传感网络。摩擦纳米发电机技术作为全新的能量采集和信息传感技术具有能量转换率高、输出高、材料选择多、结构灵活等优点,是能量采集和动态信息获取的有效方式。本论文基于摩擦纳米发电技术,构建了人体自驱动传感网络,针对基于摩擦纳米发电的人体能量采集、信息传感、电源管理及系统集成多个方面进行了研究。全文的具体研究要点如下:(1)人体能量采集将是建立人体自驱动传感网络的核心组成。根据人体行走过程中脚对地面做功会消耗化学能,设计了基于摩擦纳米发电机的空气腔体-气囊式采能鞋垫。基于摩擦起电和静电感应相耦合的理论,利用弹性气囊的膨胀和收缩以驱动摩擦层的接触和分离,可实现最大功率为5.47 mW的功率输出。研究了气体体积、压力和频率对能量采集性能的影响。当气体体积为75 cm~3、压力和频率分别为500 N和5 Hz时,采能鞋垫可输出528 V高电压和81.2μA高电流。探究了采能鞋垫作为可穿戴器件的稳定性和防水性,其可作为稳定供电电源驱动可穿戴电子器件。该基于摩擦纳米发电机的空气腔体-气囊式采能鞋垫为可穿戴人体能量采集器的研究提供了一种新路径。(2)人体在行走时由于重心的上下起伏,使其拥有大量的惯性能,将惯性能有效地采集为可穿戴电子供电是人体能量采集的有效途径。利用弹簧-振子的理论模型,设计了基于摩擦纳米发电机的人体惯性能采集器。分析摩擦层数量和振动频率对采集器输出性能的影响。对采集器的能量转化效率进行了理论分析和实验探究,在振动频率为10 Hz时,最大的能量转化率为57.9%。利用理论模型分析人体行走速度对采集器输出性能的影响。实验验证了能量采集器能够将人体的惯性能高效的转化为电能并为人体传感系统供电。该基于弹簧-振子模型的能量采集器为采集人体的惯性能提供了范例,可扩展到其他形式的能量采集。(3)人体的运动状态绝大数情况为低频运动,对应着低频人体机械能输出。将人体的低频能量输出转化为高频的电能输出将有利于能量采集效率的提升。基于单摆模型,提出了适用于低频下的摩擦纳米发电机。理论分析了摩擦纳米发电机工作频率的影响因素。在单一激励作用下,可实现持续120 s的电能输出,输出频率达到2 Hz。实验验证所设计的摩擦纳米发电机输出能量是平面模式发电机的14.2倍,低频下能量采集效率得到大幅提升。对单摆式摩擦纳米发电机所受激励频率、方向和稳定性进行了系统研究。该单摆式摩擦纳米发电机不仅可以作为收集人体能量的有效手段,更为采集器的倍频输出提供了新思路。(4)睡眠行为的监测对人体睡眠障碍等相关疾病的诊断以及健康状况的评估发挥着重要作用。基于摩擦纳米发电机的传感特性,提出了基于摩擦纳米发电机阵列的压敏、大面积、可清洗的智能纺织物,可用于睡眠行为监测和睡眠预警。探究基于摩擦纳米发电机纺织物传感器的压敏、响应时间和稳定性等输出特性。研究了传感阵列信息获取的理论算法和系统集成,从多种实验角度发现和验证了基于摩擦纳米发电机的传感阵列对人体睡眠行为的监测和预警。通过实验数据对人体的睡眠行为做出了评估和早期诊断。该智能纺织物的提出为人睡眠行为监测应用于临床医疗提供新途径并可拓展到其他领域如触觉传感、远程无线医疗以及临床护理。(5)人体的步态监测有利于疾病的早期诊断和评估,如步态异常是成为痴呆风险的重要预测指标。设计和构建了一种基于摩擦电纳米发电机的可穿戴智能鞋垫用于人体的实时步态监测。提出了基于摩擦纳米发电机的上下空腔结构压力传感器用以感知足压。探究了压力和频率对传感器输出的影响,对屏蔽电极进行了理论分析和实验验证,能够有效地消除环境中干扰信号。基于前后传感器输出信号的时间差,提出了基于前后传感器输出信号的时间差的步态识别模型,能够准确识别和判断包括踏步、走路和跑步等步态类别。探究了智能鞋垫应用于体育训练、疾病监测和摔倒报警的可行性。这一工作拓宽了摩擦纳米发电机在自驱动传感器上的应用范围。(6)人体的呼吸信号是评价人体健康状况的重要指标,可穿戴的呼吸传感器有利于呼吸的实时监测和人体穿戴的舒适性。以纺织物为载体,研究基于摩擦纳米发电机的可穿戴电子纺织物用于人体呼吸的实时监测。通过实验分析了可穿戴电子纺织物作为传感器的压力、拉伸和弯曲的电输出特性。根据传感器输出频率和幅值与呼吸速率和深度的相关性,研究呼吸速率和深度的计算方法并通过实验得到验证。该可穿戴电子编织物的提出为人体可穿戴呼吸传感提供了可能,有利于电子纺织物对人体生理信息传感的拓展。(7)鉴于摩擦纳米发电机具有高电压、低电流和高阻抗的电输出特点,通过将变压器融入后端电源管理电路的方法,有效解决了阻抗不匹配所造成能量转化率低的问题。利用对电容器充电测试的方法,研究融入变压器的电源管理电路的能量转化效率。通过集成后端信号处理单元,信号分析单元,构建了基于摩擦纳米发电机的人体自驱动传感网络,为全新一代人体传感系统提供了范例。