可穿戴設備的能源供給研究進展

梁嘉文，李婷婷，嚴占林，張 斌，曹重陽，傅智芳，陳乃超

(1.國網甘南供電公司,甘肅甘南 747199； 2.上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200090)

發電供能行業朝著綠色、健康、環保的方向發展。常用的新能源發電包含風力發電技術[1]、太陽能發電技術[2]、水能發電技術[3]、地熱能發電技術[4]等。這些可再生能源有利于保障人們的生活與生產，促進供能行業的可持續發展。近年來，可穿戴設備逐漸進入人們的生活中，可以輕松、舒適地穿戴在人體部位上，如圖1所示，起到保護、監測、預警的作用，因此，得到了廣泛的關注[5-6]。考慮到人們活動環境的復雜性，開發持久性強、穩定性高的可穿戴技術對可穿戴設備的廣泛應用具有重要作用[7]。例如，隨著現代電力行業的飛速發展，智能化可穿戴電子設備在電力巡檢運維作業過程中的作用日益突顯，需要更多智能化、易操作的可穿戴設備與巡檢人員的高強度工作匹配。然而，目前巡檢現場的大多數智能柔性可穿戴設備不能獨立工作，需要依靠外部電源。由于可穿戴設備有限的設計空間不利于儲能設備的擴容，同時冗雜的電源會帶來不可避免的電子垃圾和環境破壞。缺乏靈活、可伸展和小型化的能源供應設備導致不能為長時間的工作下提供足夠的電能[8]。因此，設計獨立、輕便、長續航的供能設備迫在眉睫。

圖1 可穿戴設備佩戴部位

當前，通過外部能量轉換成電能供給微型設備的技術還處在初級階段，如壓電材料利用壓電效應將振動能量轉化為電能[9]，輸出電壓由施加在壓電材料的機械應力大小決定，但是在微型設備上設計微型壓電結構仍然具有較大難度。因此，如何將成熟的電能生產技術運用到智能可穿戴設備成為當前研究的熱點。此外，現代集成電路不斷朝著低工作電壓和低能耗的方向發展，降低設備供能的要求，因此，可穿戴設備的能耗也需要進一步降低。目前可穿戴設備的供能主要通過外部充電的電池提供，需要不斷地進行外部補充電能，一定程度限制了設備的自主性[10-11]。綜上所述，新型供能技術的發展顯得非常迫切，其研究成果有利于擴大可穿戴設備的應用。

持續的能源供應作為可穿戴電子設備的運行基礎，其優化改進和創新型研究對可穿戴系統具有重要的意義和影響。本文綜合了近年來的多項研究成果，首先從微能采集和能量儲存角度對可穿戴設備供能研究現狀進行闡述；其次，深入探討了兩種技術集成的應用研究；然后，介紹了自供電傳感器與兩者耦合的創新研究；最后，對可穿戴設備供電的未來趨勢進行了展望。

1 微能采集與能量儲存技術

在現有應用環境下，可穿戴系統的功能不斷增強，但是也衍生了設備能耗愈漸嚴重、供能不足的缺點，該發展趨勢可能還將持續較長時間。對于傳統的供能與傳感分離類型的可穿戴設備，開發具有能源采集技術的功能，彌補外部電池儲能能力的不足是解決可持續性問題的有效手段之一。目前，能源供給來源多種多樣，不再局限于設備自身與電能直接進行補充，更多地從周圍環境中獲取能量，例如采集太陽能、環境熱能、電磁能和機械能等[12]。這些能量的獲取可以突破植入式和傳統可穿戴設備電池供能的充電限制，從而可以確保設備的持久性供能。

1.1 微能采集技術

采集周圍環境能量為可穿戴設備提供電能稱為微能采集。為了延長可穿戴電子設備電池壽命，需要避免頻繁地重復充電，這也有利于電池壽命和人員健康。在過去的十年里，微能量采集發電機技術供能可穿戴電子設備成為研究熱點，其通過轉化外部環境中的微能量為電能提供給供能設備能量，例如摩擦電發電機(TENG)[13]、熱電發電機(ThEGs)[14]，機械能發電機(TEGs)[15]和壓電發電機(PEGs)[16]，太陽能電池[17]等。但是仍需要提升與微能量發電機匹配的傳感技術水平，以便更好地獲取準確的微能數值，實現高效供能。此外，發展采集與儲能一體化技術，實現互補供能，從而實現穩定供能。常用的可穿戴設備微能來源如圖2所示。

圖2 可穿戴設備微能來源

1.1.1 機械能的利用

機械能的收集方式有多種，如行走等產生電能的壓電采集器，機械振動導致可變電容變化產生電能的靜電發電機，人體運動帶動切割磁感線產生電能的電磁感應收集器，摩擦產生靜電電荷的摩擦發電機等[18]，如圖3所示。在諸多能量來源中，利用人體運動產生電能的方式應該是可穿戴設備最有利的解決方案之一。

圖3 振動能量采集轉換

傳統機械能微型發電機對濕度敏感，存在著機械損壞和失效，發電不連續等問題[19]。結合納米技術以摩擦納米發電機為代表的新型發電機，不僅重量輕、材料選擇豐富、結構多樣、易生產且成本低，還具有高柔性、供能穩定、適用性強等特性，可以與各種微型發電裝置有效結合[20]，工作原理和應用如 表1 所示。但是，在能量容量、摩擦波動性以及電阻抗性等方面仍需要進一步改進[21-22]。Qiu等[23]通過靜電紡絲和電噴霧的方法來構建可穿戴的動力紡織品，從人體運動中獲取多種生物力學能量，并有效地將其轉化為穩定的電能，該織物的有效面積為 16 cm2，在50 MΩ的負載下可以提供80 mW/m2的功率密度。但由于人體運動存在的非穩態振動導致供能不穩，需要制定相應的框架以提高輸出功率[24]。Roudneshin等[12]提出結合機器學習和分析的方法獲取庫侖力參數發生器裝置(CFPG)中靜電力最優值，從而使輸出功率最大化。隨后采用絕對加速度自適應估計最優靜電力的新方法，結果顯示基于動能的微能收集器輸出功率有較大改善[25]。

表1 摩擦納米發電機的應用

綜上所述，機械能采集表現出可控、緊湊和輕質的優點，但是，時常會因為輸出電壓過高造成設備損壞，同時結構較為復雜，需要通過相關電路進行輸出調節[26]。

1.1.2 熱能的轉化

熱能收集和轉化主要通過熱電材料獲取電能，通過PN結將熱能轉化電能，如圖4所示[19]。由于傳統熱電材料存在機械穩定性差、能量轉換效率低等問題，Duan等[27]基于密度泛函理論和玻爾茲曼傳輸計算，利用拉什巴型自旋軌道耦合和平面外電偶極之間的協同效應，制作出最大室溫熱電優值(ZT)為0.41的WSTe材料，其具有較低的熱導率與良好的熱電轉換效率，成為優選的二維可穿戴材料之一。同時，依靠人體來收集能源，通過人體皮膚發出的熱能進行熱電轉化。由于體溫與外界溫差將產生浮力氣流，可以帶動渦輪旋轉產生電能[28]，或直接利用溫度梯度發電[29]。

圖4 熱電轉換原理

熱能轉化有著易于維護、獨立組網、拓展性高的優點，但其存在不可控制的能量輸出和較低能量密度的缺點，需要設計一定的能量管理策略來減少熱能的損失，從而提高熱能利用率。

1.1.3 無線能量的收集

隨著無線技術的發展，通過整流天線從射頻中獲得能量逐漸成為研究熱點。整流天線將射頻波轉換為可用的能量，以驅動電子設備。用于收集能量的射頻波的功率取決于發射器和接收器之間的距離[30]。射頻-直流轉化器是射頻能量轉換的技術核心，Noghabaei等[31]提出了金屬氧化層半導體場效晶體管(MOSFET)的整流器分析模型，在 5 MΩ 負載下輸出為-25.5 dBm，在100 MΩ負載下 -29 dBm，在-16 dBm輸入功率下測量峰值端到端效率為42.4%，可為450 kΩ的負載提供 2.19 V 輸出電壓。提高了轉換器的靈敏度和輸入功率范圍。微波也是無線電力轉換的主要形式之一，將接收到的微波或射頻能量轉換為直流[32]。由二硫化鉬構成的整流器可將有效地將電磁波轉化為直流，并產生較高功率[33]，同時，其可以實現大規模柔性制造，未來有望可以得到廣泛應用。

無線能量收集可以很好地結合到生活場景中，可操作性高，但是輸出能量功率偏低，容易受環境干擾，導致輸出不穩定。

1.1.4 光能的吸收

光能相較于其他能源的采集，具有廣泛性、易采集、普適性強等優點，但是不適用于室內作業，且受時間和天氣等多種外界環境的影響。目前染料敏化、有機薄膜、量子點以及鈣鈦礦太陽電池將有望成為可穿戴設備光能采集的有效手段[34-35]。Landerer等[36]設計的一種由半透明有機太陽能電池，可以實現在低至500 lux光照強度下獲取電能。其可在光線不足的條件下，為太陽能眼鏡進行自行供電。王遠飛[37]提出人工神經網絡輔助優化電路設計，通過構建負反饋控制環路，實現對太陽能電池最大功率的低成本、高精度自適應追蹤，驗證的太陽能電池平均追蹤誤差僅為0.265%，峰值轉換平均效率為86.21%，此類高性能的微能采集裝置，可以有效地收集環境中的太陽能，大大提高可穿戴設備使用無線傳感器的續航能力。

光能吸收有著環保、容易實現的優點，但是太陽光供能對天氣的依賴較大，獲得的能量密度變化大、不穩定。

1.1.5 濕氣能的采集

通過吸收大氣中廣泛存在的氣態水分子，從而轉換為電能的過程稱為濕氣能的利用[38]。其目前重要的研究方向為：在復雜和高度可變形工作條件下，研究異質結構氧化石墨烯(GO)高性能的濕電發生器提高發電機性能。Yang等[39]設計了復雜結構的石墨烯基水電發生器(GHEG)，該發生器可以組裝成從平面幾何到空間的各種結構，在大氣濕度的變化下，輸出電壓容易達到1.5 V，可變形的特性使得GHEG可以應用于復雜表面、人體，以及商業電子元件。Shao等[40]開發的基于GO的同軸纖維狀濕電發電機(FHEG)，在70%的濕度下，可以提供0.21 μW/cm的功率密度，同時與織品的兼容性增強了在可穿戴方面的應用。同時，上述設備皆可通過簡單的串聯/并聯方式，將能量提高到所需的合適數值。為了改良濕電發生器(HEG)存在材料昂貴和短期功率輸出不利等缺點，Ren等[41]利用易制備的硫還原地桿菌薄膜和低成本的氧化銦錫電極制備全細胞HEG，開路電壓達到0.3 V，負載電流達到0.3 μA，功率密度達到2.5 μW/cm2，持續時間超過2160 h，可以從環境濕度中產生可持續的濕電，極大地推動濕電技術的實際應用。相關裝置由于材料的特殊性，還可檢測人類呼吸的水蒸氣以及環境濕度的變化，增強了自供電傳感器技術[42- 43]。

濕氣能的利用有著環保低碳、易制造、能量輸出可控的優點，但是輸出功率偏低、多設備串聯存在功率損耗和互相影響，同時形狀、體積的復雜度會相應提高。

1.1.6 多能量采集

為了提高與可穿戴設備的兼容性，拓寬自供電納米設備的覆蓋面，Lee等[44]通過結合太陽能電池、摩擦電納米發電機(TENG)和壓電納米發電機(PENG)，提出一種柔性混合納米發電機(FHNG)，可以分別同時收集電能和雨滴的沖擊能量，具有自潔特性和在陽光和雨滴下的高輸出性能。Yu等[45]提出射頻(RF)和太陽能聯合采集系統，通過利用透明天線，整流器和太陽能電池可以增大輸出功率的范圍，適應更多應用場景的同時，還獲得多于單個太陽能電池的額外功率，如圖5所示。Li等[46]設計了集成壓電和電磁轉換兩項技術的可穿戴毫米級能量發生器，可以從人類運動的動能中獲得2.1 W的瞬時功率，產生的功率密度比最先進的單體工作高出一個數量級，經實驗驗證可以為180 mAh鋰電池在數十分鐘內快速充電。未來，需要更多的能源結合技術使得可穿戴設備的供能效率更加高效。

圖5 混合采集器在人體上的應用

1.2 能量儲存技術

常見的儲能設備有電解電容、鋰離子電池和超級電容器。但在可穿戴設備的應用中，電解電容較少與能量采集設備結合使用，超級電容器存在能量密度低的不足，鋰離子電池存在充電頻繁、安全性差，會對環境造成破壞等缺點[37]，相關儲能設備的技術特點如表2所示。在能量采集技術創新的基礎上，可穿戴設備需要具有靈活、耐用、安全、能源密度高的儲能特點，因此，可穿戴技術的發展離不開與儲能技術的協同。

表2 微型儲能技術特點

Zhang等[47]通過集成鋰離子電池和非晶硅太陽能組件，設計出柔性電源用于可穿戴設備供電，可以增加可穿戴設備的柔性化應用。Rajendran等[48]設計一種絲網印刷的柔性可拉伸超級電容器，作為能量緩沖元件為可穿戴設備供電，在電流密度 0.4 mA/cm2的情況下，電極擁有167 mF/cm2的最高面積電容，顯示出14.9 μWh/cm2的面積能量和0.29 mW/cm2的功率密度。另外，該超級電容器與柔性太陽能電池的結合，可以在太陽光強度較弱的條件下為可穿戴設備供電。Vaghasiya等[49]利用汗水作為電解質，設計電極和電解質高生物相容性的柔性超級電容器供電設備，佩戴者運動時可直接貼在皮膚和衣物上，該設備表現出優異的比熱容、功率密度、循環穩定性和彎曲穩定性。超級電容器在人體上的分布如圖6所示。基于納米片的可穿戴超級電容器的能量密度雖然低于電池，但是其充放循環優于電池，充電更快，可以更好地滿足可穿戴設備能源需求[47]。Jiang等[50]設計的獨特超級電容器具有分層的Ni@MnO2納米分支結構，通過簡便的電化學沉積方法支撐在透明且靈活的獨立鎳網上，分層電化學沉積方法如圖7所示，將超級電容器裝置的性能提高到19.65 mF/cm2，與平面電極(2.1 mF/cm2)具有相同數量級，其中透明度可達到77%，為開發具有高透光性和機械可靠性的可穿戴式儲能設備提供了一種簡單的電容增強方法。

圖6 生物超級電容器

圖7 分層電化學沉積法

為了降低可穿戴設備的制造成本，Yan等[51]通過噴墨打印技術在柔性基材上實現高圖案分辨率和均勻性結構，以獲得高效的電、光學性能。在實現可穿戴設備儲能目的的同時，還可應用于傳感器、顯示器、晶體管，為可穿戴系統提供新的發展方向。

1.3 能量管理策略

由于微能采集和能源儲存需要相應的控制與調節電路，因此制定系統級的能源管理策略非常必要，以便提高其在可穿戴系統的使用效率、可靠性和實用性。可穿戴設備在運作過程中，存在各種輸出特性如電壓和頻率，制定能源管理策略可以確保可穿戴設備電源的穩定輸出[52]。具有能源自主性、可靠性、實用性的可穿戴式電子系統，也符合當前微電網的研發愿景[53]。目前研究可以歸納為：a)太陽能電池作為應用最廣泛設備之一，需研究其多維、高精度的電學特性模型，同時，精確追蹤太陽能獲取最大功率并制定策略；b)功率轉換器用于克服電壓適配，需研發適合多電路類型的分析模型，進一步提高電容型轉換器效率，實現光伏陣列的最大功率點追蹤；c)微能采集容易受環境影響，具有不穩定的特性，需要借助輔助作用的儲能元件，設計能量管理拓撲架構，平衡可穿戴設備的供能與耗能。

1.3.1 能源收集管理策略

Benhammane等[54]使用微型太陽能電池與安裝在太陽能跟蹤器上的光學器件建立模型，聚焦太陽光束增加能量收集密度。該模型中加入太陽光束輻照度、環境溫度和空氣質量等氣象參數，特別是太陽輻射的光譜特性，分析了轉換過程與成本，同時還保證了能量輸出效率。Millah等[55]構建二極管模型研究3種常用太陽能電池板的材料，獲取在遮陽條件下最大功率和最短響應時間的材料，實現跟蹤效率最高、節能和節時，可以為其他能源收集裝置增加功率提供參考。圖8為加入模型算法后的功率轉換模型，用來進行能量收集管理。Yao等[56]提出了升壓和全橋集成薄膜電容轉換器，經仿真和實驗結果分析，可用于輸入電壓變化范圍大的燃料電池和太陽能電池，從而提高能量輸出效率。

圖8 用于能量采集的電子轉換器

TENG因為脈沖輸出的存在，需要一定的電源管理電路，如交直轉換器或間歇操作電路。Kawaguchi等[57]提出由晶體管組成的簡單而高效的間歇性操作電路，從存儲電容器到負載的能量傳輸效率達到89%，較好地適用在TENG的可穿戴電子設備。Mayer等[58]提出適用于動能采集傳感器的電源管理電路，如圖9所示，旨在以自適應的電壓比例和高可靠性供應負載，結果表明實驗測試采集效率高達79%。

圖9 電源管理電路

可穿戴自供電設備吸熱可以很好地轉化為電能，但存在設備的散熱問題，Malakooti等[59]使用液態金屬(LM)復合材料作為熱電發電機(TEGs)的輔助裝置，傳遞人體皮膚熱量給熱電模塊，增加了設備的散熱性能，增強了可穿戴設備的發電能量和柔性、可拉伸性。

1.3.2 能量儲存管理策略

對可穿戴設備收集到的能量進行分配也是提高能量利用率，減小能耗的重要措施。Xiao等[60]提出了優化能量分配算法，如圖10所示，最大限度地減少人體運動能量的損失，提高可穿戴設備的能源利用效率。Lattanzi等[61]聯合不同類型的神經網絡，對內存使用、能源消耗和執行時間進行分析，建立多層感知網絡，增加了內存使用量，極大地降低了能耗。Wang等[62]根據光敏分子相互作用，通過離子形式優化了聚合物異構化動力學，以增加能量儲存能力，并優化了低溫選擇性放熱能力，為可穿戴設備能量儲存提供了新途徑。

圖10 能源分配框架

2 集成技術的研究

獨立的能量采集或能量儲存存在各自的局限性，能量采集需要額外的單元來儲存能量，能量儲存的電能來源不穩定。TEGs和PEGs的運行需要機械運動。自然環境中，TENG能量采集裝置存在不穩定性阻礙。太陽能電池僅適用于日照光充足的情況下才能工作，不利于室內作業，且受外界環境的影響，同時材料的特殊性使生產成本和耐用性受到很大限制[63]。可穿戴電子設備的可靠性和可持續性，取決于兩個模塊的合理整合和相應的控制與調節電路。

常見的集成技術主要是將人類自身的能量轉化為電能，同時儲存在電池中有效供能。Beyaz等[64]研發由多個壓電盤裝置，通過3D打印封裝和整流電路，貼合在人體腰部，將腰部運動轉換為電能，并儲存在電池中。Krishnamoorthy等[65]開發了壓電驅動式自充電超級電容器動力電池(SCSPC)，收集和儲存電能在同一個單獨系統中進行，利用壓電電化學光譜實現SCSPC中的壓電電化學能量轉移和儲存。Gilshteyn等[66]將壓電聚合物亞乙烯基-三氟乙烯(P(C12H13N5O4-C2HF3))與聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))薄膜整合到超級電容器系統中，實現了收集和儲存能量的目的，開路電壓在20 s內達到500 mV，增加了裝置的靈活性、透明度和輸出功率。對于其他能量轉化為電能并存儲的技術，會根據能量收集技術與存儲技術的適配程度，采取對應的集成技術將能量存儲到儲能設備。

對于應用廣泛的微型發電機技術，如TENG與超級電容器的耦合技術在可穿戴儲能、集能應用上具有巨大潛力，但是TENG存在耐磨性差，配置復雜，電輸出性能較低，受環境影響較大，制造成本高等缺點。通過繞線編織策略，TENG紡織品可以將各種生物運動能量轉化為電能，采用柔性紗線[67-68]將不對稱超級電容器與TENG編織在一起進行儲能也是有效的方法。可以看出，通過特殊結構如納米材料將儲能和集能耦合，可以有效避免相應功能的缺點，為能源供給帶來了許多的便利。

3 自供電傳感器

傳感器是可穿戴設備的核心技術，但是傳統的傳感器必須添加電池裝置供電。隨著人工智能和互聯網技術的發展，自供電傳感器可以為傳感裝置提供電源[69]，同時通過結合納米柔性材料[70]可以提供良好的材料兼容性，增加可穿戴設備的延展性、靈活性。為實現植入式和可持續的可穿戴電子設備，自供電傳感器技術將自供電與傳感集成于一體，解決了目前大多數傳感器不能獨立工作，必須依賴外部電源的缺陷。運用新型微能采集或能量儲存抑或二者集成技術，使得傳感設備在惡劣的環境中可以持續工作，收集更多的作業數據構建強大的數據分析庫。當傳感器具有自供電特點[71]，可以與無線傳輸設備聯合，為未來巡檢現場物聯網技術提供了更多了集成參考。自供電傳感器功能框架如圖11所示。

圖11 自供電傳感器功能框架

在傳統可穿戴設備的電源中，傳感器主要由酶生物燃料電池供電。但是作為帶有酶電極的設備，其穩定性會受到如pH值、溫度、鹽離子或表面活性劑等因素影響，還存在制造難度大、成本高、可持續性不強的缺點。利用人體潛在資源如運動、汗水、體溫等進行自供電可以有效地解決相關問題[72]。Liu等[73]研究了聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜，用于監測排球運動員扣球手勢的新型自供電可穿戴運動傳感器。將機械能轉化為電能的同時將壓電信號輸出運動信息，實時監測比賽中的細微動作和脈搏變化，反應技能。Lu等[74]研發聚偏氟乙烯與極化后的鍍銀電極和柔性聚酯基片組合，根據運動的狀態產生不同的壓電信號，監測和分析運動員的滑行角度、頻率和推開技術，從而改善訓練和提高成績，同時壓電信號可以為電容器充電，為無線設備提供電源。本文總結了一些關于自供電傳感器的特點如表3所示。

表3 不同類型自供電傳感器特點

Li等[75]研究了在原有TENG的供電基礎上，加入人體感知、人機互動、人員識別和生成識別編碼信息。He等[76]制造了具有高度靈活性的紡織基發生器(TMEGs)，由于其靈活性和良好的性能，可以作為智能面具來監測人類的呼吸，同時通過絲網印刷方法在不對稱織物上直接印刷電極陣列，實現TMEG的大規模集成固定在衣服上充當便攜電源作用。

為了改良自供電傳感器的電容和生物感應性能，Li等[77]采用基于疏水的表面功能化鈦酸鋇(FD-BTO)/聚偏氟乙烯(PVDF)復合薄膜的新型3D打印技術，制造出高壓性能的柔性自供電傳感器，表現出優異的靈敏度和壓電系數，同時通過自供電打印傳感器陣列來檢測和分析人體運動情況。

為了提高自供電傳感器進行自供電的同時保持傳感器的準確性。Huang等[78]研發了離子型有機水凝膠的自供電傳感器，離子水凝膠被用作超級電容器的電解質或傳感器的功能元件，其具有很高的靈敏度和耐久性，在健康檢測方面具有潛在應用，同時把機器學習結合到可穿戴系統中，為可穿戴設備提供新的前景。為了實現能量采集能力和傳感功耗之間的平衡，Gyanchandan等[79]建立了能量平衡模型的理論模型，提取人類生理數據，還可向移動設備進行無線數據訪問。Hou等[80]提出了具有導電布電極和彈性織物基底的超柔性織物熱電發電機，同時具有溫度感應和觸摸感知能力，提高了自供電傳感設備與衣物的兼容性，其中蛇形結構的布電極，為可穿戴傳感器在衣物的分布方式提供形狀參考。

綜上所述，自供電傳感器技術進行以下歸類總結：a)自供電傳感器可以在沒有外部電源的情況下持續工作，是可穿戴系統在智能社會中收集數據和擴大數據維度的有效措施；b)目前多數自供電傳感器技術是在微型發電機、儲能裝置等的能量利用和材料特性基礎上，將其中的電信號轉化為傳感信息，或直接為傳感器供電，使自供電傳感器朝著低成本、易制造、可設計和多樣化的方向發展；c)自供電傳感器按工作位置可分為可穿戴式和植入式，多數供能模塊以此為應用依據進行設計，可以很好地實現與人體的契合度。

4 總結與展望

本文對可穿戴電子設備的供能技術進行了詳細的綜述，歸納了微能采集技術、儲能技術、采集與儲能集成技術和新型自供電傳感器技術。分析了不同能量來源和不同能量需求的可穿戴供能設備的組成、特點、性能和優缺點，為可穿戴設備可持續供能的科學選擇與關鍵技術分析提供了參考，助力可穿戴系統獲得最優效率。目前，可穿戴技術仍然存在著一些技術瓶頸，需要通過不斷研究和大量實踐加以改進和提升。隨著柔性化和小型能源集成設備的快速發展，極大地推動了能源供給技術在可穿戴設備中的創新研究。目前為止，小型化的器件、大功率的高效轉化、能量儲存量增強等技術都極大地促進了可穿戴設備在巡檢等工業中的應用。然而還存在以下挑戰：

a)供電設備運行可能會產生阻抗，從而導致額外的功率消耗，同時環境中還存在干擾傳感器運行因素，如噪音、熱量、自然光干擾等。為解決這一挑戰，需要通過系統結構改進，保護內部設備運行，并建立相關減少能耗機制，以實現精準作業和安全保障。

b)自供電傳感器技術需要朝著除去復雜的電路設計、耗時的數據處理和額外的電力來源方向發展，例如打印式可穿戴自供電化學傳感器具有統一、靈活、大規模生產的優點，可以為多個領域的可穿戴便攜式傳感設備開辟新方向。

c)對于不同制造工藝的可穿戴設備，需要開發出標準化流程，解決不同供電設備之間的性能校準問題，使得設備可以大規模集群使用。

d)很多可穿戴供能設備涉及到化學材料或化學方法，如涉及到媒介物的毒性、生物電極的污染以及電極的保質期等問題，未來需要進行更多的生物相容性研究，來確保與人體結合的安全性。

e)納米材料是新型可穿戴供能設備的重要組成部分，但是基于納米片的電池和超級電容器的能量儲存有限，且納米設備制造成本高、工藝復雜。未來應該建立低成本和良好成品率的納米片，同時致力于提高能量容量和促進與可穿戴設備結合。

隨著可穿戴設備更廣泛的應用，未來可以獲取大量可穿戴設備供能運行數據，更加深入地掌握設備的運行規律，結合智能算法分析，可以設計出更加智能、可靠、便捷、節能的可穿戴持續供能設備。