伊利诺伊大学的研究人员将废弃的柚子皮变成了可自行发电并监测身体活动的设备，为能量收集和医疗保健提供了可持续的解决方案。

柚子是一种广泛种植于东南亚和东亚的大型柑橘类水果，其果皮异常厚实且通常被丢弃，这导致了大量的食物浪费。在最近的一项研究中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员调查了将柚子皮这种生物质再利用的方法，以开发出能够为小型电子设备供电并监测生物力学运动的工具。

“柚子皮主要有两部分——薄薄的外层和厚厚的白色内层。白色内层较软，按起来像海绵一样。有些人用柚子皮提取精油或果胶的化合物，但我们想利用柚子皮天然的多孔海绵状结构。如果我们能将柚子皮循环再利用，制成高价值产品，而不是简单地扔掉，那么我们不仅能减少柚子生产、消费和榨汁过程中产生的废物，还能从食物和农业废弃物中创造更多价值，”该研究合著者王一成（音译）说道。他是伊利诺伊大学农业、消费者与环境科学学院食品科学与人类营养学助理教授。

一个典型的柚子重1到2千克（2到4.5磅），果皮占总重量的30%到50%。在这项研究中，研究人员将果皮与果肉分离，去掉最外层，然后对厚厚的白色内果皮进行处理。他们将其切成小块并进行冷冻干燥，以保持其独特的三维多孔结构。然后将这些样本存放在不同湿度的条件下以供进一步分析。

通过研究果皮的化学组成和机械性能，研究团队成功研制出可将机械能转化为电能的装置。这些装置还可作为自供电运动传感器。

利用接触起电

王（Wang）说：“这些设备利用了接触起电的原理。这听起来可能很复杂，但实际上非常简单，我们经常会遇到。例如，当我们触摸门把手时，特别是在冬天，有时会感到触电。其基本机制就是接触起电，或摩擦起电——‘摩擦’即‘tribo’的意思。当两种材料相互摩擦时，由于电荷在它们之间的转移，可以形成静电。我们想探究是否可以收集和利用这种电。”

研究人员使用柚子皮生物质和塑料（聚酰亚胺）薄膜作为两个摩擦电层，当存在外力时，这两个摩擦层会相互接触。他们在每一层上都贴上铜箔电极，并评估所得装置将外部机械能转化为电能的效果。

只需用手指轻敲这些以柚子皮为基础的摩擦电装置，它们就能点亮大约20个发光二极管（LED）。他们还证明，当该装置与包括储能单元在内的电源管理系统相结合时，计算器或运动手表仅靠这些机械力就能供电，而无需外部电源。

“该应用具有将原本会浪费掉的能量转化为有用电能的巨大潜力。我们还发现，得益于柚子皮天然的多孔结构，基于柚子皮制作的摩擦电装置对力和力频高度敏感。这启发我们开发出可贴附于人体用于生物力学监测的传感装置，”王中林解释道。

监测人体运动及其未来影响

当连接到身体各个部位时，研究人员的概念验证传感器能够监测生物力学运动，如关节运动和步态模式。这是因为身体不同部位的运动会导致摩擦电层之间的接触带电，从而产生与不同运动相对应的独特电信号。这一功能为医疗保健和物理康复专业人员提供了宝贵见解的巨大潜力。

王（Wang）表示：“这项工作凸显了将食物废弃物转化为增值设备和材料的绝佳机会。通过可能取代或补充不可再生的同类产品和减少浪费，它将对长期可持续性做出重大贡献，我们将继续探索更多升级再造食物和农业废弃物的机会。”

研究人员已为其基于柚子皮材料的摩擦电纳米发电机申请了临时专利。

参考文献：《食物废弃物的增值利用：利用柚子皮生物质衍生的天然多孔材料开发摩擦电纳米发电机以实现能量收集和自供电传感》，作者：李龙文、金振辉、王晨鑫、王奕程，发表于2024年7月11日，《美国化学会应用材料与界面》期刊。DOI：10.1021/acsami.4c02319

该项目由美国农业部国家粮食与农业研究所（ILLU-698-930和ILLU-698-994）提供资助。