纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)的構(gòu)建及其在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

許子傲　吳雅夢　郭浩　俞建勇　丁彬　李召嶺

摘要：可穿戴技術(shù)為人們提供了便捷化與個(gè)性化的健康監(jiān)測、醫(yī)療輔助、運(yùn)動(dòng)娛樂等服務(wù)，顯著提高生活質(zhì)量。目前，可穿戴設(shè)備的能量供給仍然依賴化學(xué)電池或外接電源，造成明顯的使用不便。從外界環(huán)境中收集能量以滿足可穿戴設(shè)備的能量需求是一種有前途的解決方案。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）是一種新興的微型能源裝置，因其能夠有效地收集和利用人體與環(huán)境中的微納能量實(shí)現(xiàn)直接為可穿戴設(shè)備供電或?qū)崿F(xiàn)自供能傳感，并以高瞬時(shí)電輸出、低成本與靈活的特性而受到廣泛關(guān)注。金屬、聚合物薄膜、橡膠等材料被廣泛用于TENG的制備中，但致密的結(jié)構(gòu)使得它們?cè)陂L時(shí)間穿戴時(shí)易造成人體不適。以纖維材料制備的TENG具有輸出功率高、透氣性好、形狀適應(yīng)性、材料選擇廣泛的優(yōu)勢，在可穿戴能源器件、自供能傳感、人機(jī)交互以及空氣過濾等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。介紹了纖維基TENG的構(gòu)筑及可穿戴器件的應(yīng)用研究進(jìn)展，最后對(duì)其現(xiàn)有的挑戰(zhàn)與發(fā)展前景進(jìn)行總結(jié)與展望，為纖維基TENG的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：摩擦納米發(fā)電機(jī)；纖維材料；能源器件；自供能傳感；人機(jī)交互；空氣過濾

中圖分類號(hào)：TM919????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：2097-2911-（2023）03-0071-15

Research Progress in the Fabrication and Wearable Applicationsof Fiber-based Triboelectric Nanogenerators

XUZiao a， WU Yameng a， GUO Hao a， YUJianyong b， DING Bin b*， LI Zhaolinga，b*

（a. Shanghai Frontiers Science Center of Advanced Textiles， College of Textiles; b. Innovation Center for Textile Scienceand Technology， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： Wearable technology provides people with convenient and personalized health monitoring， medical assistance， sports， and entertainment services， significantly improving the quality of life. Currently， the energy supply of wearable devices still relies on chemical batteries or external power sources， causing obvious inconve- nience. Harvesting energy from the external environment to meet the energy needs of wearable devices is a promising solution. The triboelectric nanogenerator （TENG） has gained extensive attention due to its hightran- sient electrical output， low cost， and flexibility， with significant advantages in harvesting low-frequency and ir- regular human motion energy. Materials such as metal， polymer film， and rubber are widely used in the fabrica- tion of TENGs. However， their dense structure can cause discomfort when worn for extended periods. TENGs prepared with fiber materials exhibit advantages such as high output power， excellent air permeability， shape adaptability， and a wide selection of materials. These features make them widely applicable in the fields of wear-able energy devices， self-supplied sensing， human-computer interaction， and air filtration. The research progress on the construction of fiber-based TENG and its applications are introduced. Finally， the existing challenges and prospects of its development are summarized and envisioned.

Keywords： triboelectric nanogenerator; fiber materials; energy devices; self-powered sensing;human-machine interaction; air filtration

隨著電子器件小型化與柔性化的趨勢，提高人們對(duì)智能化生活的追求，可穿戴設(shè)備發(fā)展迅速，使得可穿戴設(shè)備極大的豐富了人們的數(shù)字生活，運(yùn)動(dòng)手環(huán)、智能手表等可穿戴電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用，但穿著舒適性差、續(xù)航時(shí)間短仍是這些設(shè)備目前難以解決的問題[1]。目前，大部分可穿戴設(shè)備使用化學(xué)電池或外接電源作為能量來源。一方面，電池續(xù)航能力有限，頻繁的充放電及電池的剛性限制了可穿戴設(shè)備的穿著便利性和舒適性；另一方面，電池生產(chǎn)和報(bào)廢所產(chǎn)生的污染問題也給環(huán)境帶來了更大的負(fù)擔(dān)[2-3]。收集人體或環(huán)境中的能量來滿足可穿戴設(shè)備的供電或傳感需求是一項(xiàng)前途的解決方案。在各種收集人體能量的能源設(shè)備中，摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）以其重量輕、功率密度高、能量來源廣等特點(diǎn)脫穎而出[4-5]，能夠持續(xù)的從自然和人類活動(dòng)中獲得可再生能源，如人體運(yùn)動(dòng)[6-7]，波浪[8-9]，風(fēng)[10-11]，聲波[12-13]，雨[14-15]等。

TENG 是一種利用摩擦起電和靜電耦合效應(yīng)，將外界能量轉(zhuǎn)化為電能的能源裝置，一般由至少兩種不同摩擦帶電性質(zhì)的材料構(gòu)建[16-17]。TENG構(gòu)建材料來源廣泛，如聚合物薄膜[18-19]，橡膠[20]，水凝膠[21]等材料均得到廣泛報(bào)道，而這些材料雖有輸出性能高、柔性好等優(yōu)勢，但透氣性及熱濕舒適性差等問題限制了其在可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展，長期穿戴容易造成人體不適。由纖維材料的織物、纖維膜等紡織品，具有高孔隙帶來的高透氣透濕性[22]，并且纖維材料良好的形狀適應(yīng)性，使得以纖維基 TENG 具有優(yōu)異的可穿戴性能[23]。此外，纖維材料滿足材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣性從而有能力實(shí)現(xiàn)高輸出，如構(gòu)建粗糙表面[24-25]，極性基團(tuán)修飾[26-27]，引入電荷捕獲層[28-29]等。紡織品的加工能夠依托現(xiàn)有成熟紡織工業(yè)體系，能夠容易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，具有較好的工業(yè)化前景。

纖維基TENG在可穿戴能源器件、自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、空氣過濾等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了顯著的發(fā)展?jié)摿霸诳纱┐髌骷I(lǐng)域的應(yīng)用前景，近年來得到了研究人員的廣泛關(guān)注。本綜述重點(diǎn)概括了纖維基 TENG的制備與其在可穿戴器件領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了纖維基 TENG在能源器件、自供能傳感、人機(jī)交互、過濾材料等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。最后，對(duì)于該領(lǐng)域目前的研究現(xiàn)狀與未來需要解決的問題進(jìn)行了總結(jié)與展望，為纖維基TENG的發(fā)展及其在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

1纖維基TENG 的構(gòu)建

1.1摩擦材料選擇與摩擦起電序列

TENG的構(gòu)建材料選擇非常廣泛，而不同材料摩擦帶電能力不同，相互接觸后產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量也不同。因此，合理的選擇構(gòu)建材料對(duì)于 TENG的輸出性能提高非常關(guān)鍵[30]。摩擦產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量取決于每種材料的極性。為更直觀的體現(xiàn)不同材料間摩擦帶電的性能，通常將每種摩擦材料的摩擦帶電性質(zhì)具體量化，并以序列形式表現(xiàn)出來。在這個(gè)摩擦電序列中，相差越遠(yuǎn)的兩種材料，在接觸時(shí)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移量越大。 LIU等人[31]提出了一種通用的標(biāo)準(zhǔn)化策略，來量化摩擦電荷密度（TECD）在真空條件下以接觸分離式的TENG，通過真空條件下抑制空氣擊穿效應(yīng)，得到更接近能夠反應(yīng)材料固有屬性。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化測試所得摩擦起電序列如圖1所示。

纖維材料的來源廣泛，包括從天然原料加工所得的天然纖維到人工合成的各種合成纖維，種類繁多，結(jié)構(gòu)與性質(zhì)多樣。摩擦材料的選擇與纖維特性相結(jié)合，是得到高性能、多場景應(yīng)用的纖維基TENG的高效途徑。

天然纖維包括植物纖維與動(dòng)物纖維，植物纖維以棉、麻等天然纖維素纖維為主，因纖維素的良好摩擦帶電能力與化學(xué)改性潛力[32-33]，以及較為成熟的加工和低廉的成本[34]成為可穿戴TENG 的優(yōu)良選擇。動(dòng)物纖維主要以蛋白質(zhì)為主，大量酰胺鍵的存在使其具有良好的摩擦帶電能力，并且毛纖維表面特殊鱗片層為其帶來了在高濕度下穩(wěn)定輸出的能力[35-36]。

無機(jī)纖維以其極佳的耐候性與穩(wěn)定性，在極端環(huán)境下具有能夠保持穩(wěn)定工作的能力，以陶瓷、玻璃、碳等材料構(gòu)成。玻璃纖維是常用的摩擦材料，具有良好的摩擦電極性，并且能夠根據(jù)玻璃纖維的材料組成調(diào)整摩擦電極性[37]。碳纖維是一種具有極佳機(jī)械與導(dǎo)電性能的高性能纖維，既能夠作為摩擦材料或電極材料，也能夠作為儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)能源-儲(chǔ)能一體化器件。

再生纖維的主要成分與天然纖維類似，為蛋白質(zhì)、纖維素和多糖等，因其可降解及穿著舒適等優(yōu)勢得到了廣泛關(guān)注。其中，再生絲素纖維通過在紡絲過程中調(diào)節(jié)絲素蛋白分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和取向，能夠得到接近天然蠶絲的性能，并且容易實(shí)現(xiàn)功能化，具有較好的應(yīng)用前景。此外，如殼聚糖纖維、海藻酸鹽纖維等具有良好生物相容性的再生纖維具有在可植入 TENG領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

合成纖維種類眾多，摩擦帶電性質(zhì)相差較大，通常與纖維中官能團(tuán)的種類與數(shù)量相關(guān)。LI 等人[38]經(jīng)測試得到的在摩擦過程中，各官能團(tuán)得電子能力強(qiáng)弱順序?yàn)镃H3< H < OH < Cl < F 。常用于 TENG領(lǐng)域纖維材料的有含氟的聚四氟乙烯（PTFE）纖維、聚偏氟乙烯（PVDF）纖維，含氯的聚氯乙烯（PVC）纖維、含酰胺基的聚酰胺纖維（PA）、含腈基的聚丙烯腈纖維（PAN）等。此外，一些具有特殊性能的纖維如芳綸、聚酰亞胺纖維等也有較好的摩擦帶電性能，能夠用于高沖擊與耐高溫領(lǐng)域[39-40]。

總而言之，合理的材料選擇是有效提高 TENG的輸出性能，拓展應(yīng)用場景及成本控制最直接的方法。目前，多種纖維材料如PTFE、PA、 PAN等均已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，又兼具高摩擦電活性，成為纖維基TENG的重要摩擦構(gòu)建材料。

1.2四種基本工作模式

簡而言之，摩擦起電在材料表面提供了一個(gè)靜態(tài)的極化電荷，當(dāng)機(jī)械觸發(fā)靜電感應(yīng)時(shí)，會(huì)引起電勢的變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)兩種不同材料的表面發(fā)生物理接觸時(shí)，會(huì)在兩個(gè)接觸面上產(chǎn)生摩擦電荷，一旦兩個(gè)接觸面分離，就會(huì)形成電位差，電流，其中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電流基于麥克斯韋位移電流[41]。基于摩擦起電的工作原理，TENG具有四種不同的工作模式，如圖2所示，包括垂直接觸分離（CS）模式、水平滑動(dòng)（LS）模式、單電極（SE）模式和獨(dú)立層（FT）模式。

1.2.1垂直-接觸分離型

垂直接觸-分離模式是TENG最為常見的一種工作模式，具有瞬時(shí)輸出性能高，設(shè)計(jì)難度低等優(yōu)勢。如圖2（a）所示，該模式通常是由兩種不同的介電材料垂直相對(duì)放置，中間保留一定的空隙。在外力作用下，兩種材料相互接觸，此時(shí)根據(jù)它們各自的極性產(chǎn)生相反的電荷。外力消失后，兩層分離，自由電子從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極，以平衡電位差，從而產(chǎn)生交流輸出。

1.2.2水平滑動(dòng)型

橫向滑動(dòng)模式是基于外力作用下，滑動(dòng)摩擦起電和平面電荷分離過程的耦合。上下兩層并非完全分離，而是通過滑動(dòng)產(chǎn)生不同的有效接觸面積，如圖2（b）所示。滑動(dòng)過程在兩層中產(chǎn)生摩擦電荷，兩個(gè)電極之間的電位差允許電子流動(dòng)。由于有效接觸面積的周期性變化，這個(gè)過程產(chǎn)生交流輸出。然后反向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子的反向運(yùn)動(dòng)，直到靜電平衡。

1.2.3單電極模式型

在單電極配置中，只有一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，如圖2（c）所示。單電極模式可以在橫向滑動(dòng)和接觸分離配置下工作。由于另一接觸層是自由移動(dòng)的，單電極模式具有更高的運(yùn)動(dòng)自由度，使其具有工作自由的優(yōu)勢，但其輸出性能低于其他模式。可移動(dòng)層的周期性接觸-分離產(chǎn)生電勢差，導(dǎo)致電極與地面之間的電子流動(dòng)。

1.2.4獨(dú)立層模式型

獨(dú)立層模式與單電極模式類似，但該模式使用一對(duì)對(duì)稱電極，如圖2（d）所示。在工作過程中，當(dāng)自由運(yùn)動(dòng)的物體改變位置時(shí)，摩擦材料在兩個(gè)電極間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由不對(duì)稱電荷分布引起電輸出。獨(dú)立層模式可以在非接觸滑動(dòng)模式下工作，能夠減少摩擦損傷，增加了使用壽命和效率[42]。

以纖維材料構(gòu)建的 TENG 能夠?qū)崿F(xiàn)四種基本工作模式，通過人體運(yùn)動(dòng)或環(huán)境因素實(shí)現(xiàn)持續(xù)的循環(huán)工作，并且能夠根據(jù)需求選擇進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)，如從紗線、纖維膜、織物等結(jié)構(gòu)出發(fā)，表現(xiàn)出較好的普適性。

2纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)的構(gòu)建

隨著智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用場景的多變性要求可穿戴器件必須具有一定的柔韌性，尤其是收集人體數(shù)據(jù)的各類傳感器，需要跟隨人體運(yùn)動(dòng)在各種形變的條件下工作。能夠?qū)崿F(xiàn)高柔性、穩(wěn)定輸出的摩擦電活性材料眾多，如聚合物薄膜，橡膠等，但致密的結(jié)構(gòu)卻難以滿足人體的熱濕舒適性，長久的與皮膚接觸甚至?xí)?dǎo)致炎癥的出現(xiàn)[43]。纖維材料具有優(yōu)秀的透氣性能與形變性能，在與人體長期接觸的應(yīng)用場景下具有顯著優(yōu)勢。根據(jù)結(jié)構(gòu)維度的不同，纖維材料可以分為一維、二維和三維纖維材料，如圖3所示，一定程度上也反應(yīng)了紡織品的基本裝配順序。

2.1一維纖維材料

一維材料主要指在宏觀尺度上長徑比非常大，在長度方向可以無限延伸的材料。一維纖維材料主要包括纖維和紗線。一維纖維材料具有非常高的縱橫比與極佳的柔性，在適應(yīng)人體組織與動(dòng)作方面具有更高的靈活性[45]。

2.1.1纖維

纖維是紡織品的基本結(jié)構(gòu)單元，直徑從納米到毫米不等，其形態(tài)多樣，材料選擇廣泛。纖維材料也是構(gòu)建TENG的最常用材料之一，但纖維尺寸小，穩(wěn)定性差，往往通過各種方式加工為紗線或織物以滿足應(yīng)用場景的具體需求。此外，纖維的性能很大程度上決定紡織品整體性能，針對(duì)紡織品的改性也常從纖維尺度進(jìn)行設(shè)計(jì)。構(gòu)建 TENG的纖維材料來源廣泛，而纖維成型與加工方法的多樣性、通用性，大大降低了制備 TENG 的難度。單纖維形式的 TENG是以自身內(nèi)部多級(jí)結(jié)構(gòu)間互相接觸而實(shí)現(xiàn)，往往在設(shè)計(jì)時(shí)使內(nèi)部具有間隙或空心填充活動(dòng)組件的復(fù)合纖維，如 HAN等人[46]設(shè)計(jì)的集成摩擦納米發(fā)電機(jī)、超級(jí)電容器和壓力傳感器的同軸復(fù)合紗線。紗線內(nèi)核是纖維型超級(jí)電容器，外護(hù)套為單電極模式的纖維 TENG，用于能量收集，外摩擦層和內(nèi)層構(gòu)成自供電壓力傳感器，能夠收集人體運(yùn)動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)自供能傳感與供電。

2.1.2紗線

紗線是由短纖維或長絲束通過紡紗加工的而成的一維紡織材料，通常具有一定的捻度，結(jié)構(gòu)相對(duì)單纖維穩(wěn)定。紗線的材料組成與結(jié)構(gòu)會(huì)很大程度上影響摩擦效率，合理的紗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效提高摩擦電性能，因此，近年來以包芯紗、膨體紗等傳統(tǒng)花式紗線為靈感的TENG也得到了廣泛報(bào)道。例如，包芯紗通常是以棉、粘纖等短纖維紗線包覆長絲制備，而以納米纖維為外層的納米纖維包芯紗能夠利用外層納米纖維比表面積大的優(yōu)勢，構(gòu)建具有高輸出性能的TENG[47]。 YE 等人[48]報(bào)道了通過共軛靜電紡絲的方法，制備了一種以靜電紡絲納米纖維包覆導(dǎo)電芯紗的納米纖維包芯紗，能夠以單電極模式工作，與人體皮膚進(jìn)行交互，并且能夠在交替循環(huán)中對(duì)電容進(jìn)行連續(xù)充電。由于納米纖維賦予的高粗糙度與高比表面積，以納米纖維包芯紗線制備的智能傳感織物表現(xiàn)出一定的感知和區(qū)分與不同材料接觸時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)機(jī)械刺激能力。

2.2二維纖維材料

相對(duì)于一維纖維材料，以纖維或紗線按一定規(guī)律排布構(gòu)建的二維纖維材料更容易實(shí)現(xiàn)構(gòu)建、增大接觸面積等有利于提高摩擦效率的策略。二維纖維材料可以根據(jù)纖維或紗線的分布方式進(jìn)行分類，包括機(jī)織物、針織物及非織造布等。

2.2.1織物

織物具有極佳的透氣性、柔韌性與形狀適應(yīng)性，在長時(shí)間穿戴情況下也能保持人體舒適。織物基TENG具有材料來源廣泛、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢，并且能夠與服用織物相結(jié)合。材料選擇方面可以通過選擇不同摩擦帶電性質(zhì)的紗線織造織物，提高輸出性能。其次，可以根據(jù)人體不同部位產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)能量的不同，靈活選擇如收集足部、腋下等高輸出部位的能量[5]。除設(shè)計(jì)時(shí)選擇摩擦帶電性能差別較大的紗線，利用不同織物結(jié)構(gòu)與織物組織能夠有效控制TENG的輸出性能[25，49]，對(duì)織物的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)也是研究的熱點(diǎn)，如針織空氣層結(jié)構(gòu)[50]、附加摩擦層[51]等。

2.2.2纖維膜

通過熔噴、針刺及靜電紡絲等方法可以將纖維直接加工為纖維膜，其具有比表面積大，尺寸可調(diào)等優(yōu)勢。在纖維膜材料中，纖維間存在大量孔隙，粗糙度較高，能夠在接觸摩擦?xí)r提供更多的接觸面積，無需再進(jìn)行構(gòu)建粗糙表面等增強(qiáng)摩擦效率的處理[52]。以靜電紡絲制備的納米纖維膜，不僅因其納米尺度的纖維分布而具有高粗糙度、高孔隙率等特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)定向排列、多纖維形態(tài)（如空心、核殼、多孔）等特殊結(jié)構(gòu)，提高納米纖維膜的有效摩擦接觸面積和透氣性，具有較高的表面電荷密度[2]。

2.3三維纖維材料

三維纖維材料是指在除織物或纖維膜的二維平面外，還有在厚度方向的紗線或結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)分為三維織物及三維纖維膜。三維纖維材料在厚度方向增加的多層纖維分布能夠創(chuàng)造更多的接觸分離空間，還可以實(shí)現(xiàn)纖維之間從點(diǎn)到線再到表面的逐級(jí)接觸響應(yīng)，提高了壓力傳感的靈敏度和響應(yīng)速度[53]。

2.3.1三維織物

三維織物中厚度方向的增強(qiáng)能夠改善紡織品的抗沖擊性能，克服了傳統(tǒng)二維平面織物及復(fù)合材料存在抗沖擊性能差、層間強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，廣泛用于航空航天，汽車與建筑等領(lǐng)域[54]。根據(jù)制備方式的不同，三維織物可以分為三維機(jī)織物，三維針織物，三維編織物和三維非織造布[53]。三維織物厚度方向的增強(qiáng)使得其容易實(shí)現(xiàn)壓縮回彈，適合用于構(gòu)建接觸-分離式的TENG 。相比普通的二維纖維材料，三維織物雖然柔性與形狀適應(yīng)性相對(duì)較弱，但具有更好的抗沖擊性能，壓縮回彈性能，適用于發(fā)電鞋墊、發(fā)電地毯等領(lǐng)域。

2.3.2三維纖維膜

三維纖維膜是由纖維在三維網(wǎng)絡(luò)上分布或交織而成的三維結(jié)構(gòu)，纖維之間存在復(fù)雜的空隙和通道。通過紡絲及后處理，能夠得到穩(wěn)定的由纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，常見的形式有三維納米纖維膜，三維纖維氣凝膠等。相比二維纖維材料，三維結(jié)構(gòu)賦予其內(nèi)部更高的比表面積，良好的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在內(nèi)部有著更大的接觸面積和電荷存儲(chǔ)能力[55]，在TENG領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用潛力。

3纖維基TENG 的在可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用

纖維基 TENG 能夠?qū)⒊掷m(xù)但難以收集的人體的運(yùn)動(dòng)、呼吸、脈搏波等生理行為中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并能在長久的穿戴中保持人體舒適性，其既可以集成到衣服和配飾中，也可以直接置于人體皮膚表面甚至體內(nèi)植入。近年來，纖維基TENG在可穿戴領(lǐng)域得到了廣泛報(bào)道，具有顯著的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用前景。

3.1能源器件

相比其他可穿戴能源器件，TENG的一項(xiàng)明顯優(yōu)勢是可以高效的將人體運(yùn)動(dòng)能量與機(jī)械振動(dòng)等低頻、不規(guī)律的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并能夠?yàn)樾⌒碗娮悠骷╇姟＠w維基材料具有輕質(zhì)、透氣與可變形性，將纖維基 TENG 與日常服飾結(jié)合，在滿足多場景需求的同時(shí)，在穿著舒適度方面有著顯著的優(yōu)勢。CAO等人[56]開發(fā)了一種全紡織基 TENG，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境聲波能量、風(fēng)能和人體運(yùn)動(dòng)能量的收集。通過設(shè)計(jì) TENG與電路的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電容器的充電以及小型電子產(chǎn)品的直接供電。CHEN等人[57]設(shè)計(jì)了一種直流織物基 TENG（F-TENG），能夠利用靜電擊穿現(xiàn)象收集能量（圖4（a）-（d）），同時(shí)避免了因整流器等電子元件對(duì)穿戴性能的影響。如圖4（（c）-（g））所示，一個(gè)小尺寸的直流織物 TENG（1.5 cm ×3.5 cm）可以點(diǎn)亮416個(gè)串行連接的發(fā)光二極管（LED），并可以持續(xù)提供直流輸出，為計(jì)算器或濕度計(jì)供電。

3.2 自供能傳感

傳感器小型化的發(fā)展趨勢使得其平均功耗隨之降低，能夠以非常低的功率水平運(yùn)行。通過結(jié)合收集能量的組件，構(gòu)建成一個(gè)無需外部電源的可持續(xù)工作自供電傳感系統(tǒng)，根據(jù)觸發(fā)或外界變化自行產(chǎn)生電信號(hào)如自供電壓力傳感器，自供電化學(xué)傳感器等。以人體運(yùn)動(dòng)為例，通過收集人體特定部位的活動(dòng)，如心臟的持續(xù)跳動(dòng)，走路雙腳往復(fù)等運(yùn)動(dòng)能量，將產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可識(shí)讀的信息，能夠在無需外部供電的情況下實(shí)現(xiàn)長期的無感健康監(jiān)測。WEI等人[58]報(bào)道了一種基于全紡織結(jié)構(gòu)的自供電多傳感網(wǎng)絡(luò)組成的步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)（圖5（a）），該自供電傳感器具有1.5 V · kPa-1的響應(yīng)靈敏度，并且具有優(yōu)異的透氣性和良好的透濕性（圖5（b）-（c）），并且能夠?qū)Πㄅ两鹕綉B(tài)在內(nèi)的五種畸形步態(tài)進(jìn)行分析（圖5（d））。 HE 等人[59]通過浸涂聚乙烯亞胺（PEI）溶液噴涂到 PEDOT：PSS 功能化的紡織品表面，構(gòu)成自供能氣體傳感器。PEI涂層作為摩擦電層，隨著 CO2的吸收形成氨基甲酸酯層，形成 CO2- PEI絡(luò)合物，改變PEI層的電負(fù)性，從而通過不同濃度下TENG的轉(zhuǎn)移電荷變化檢測CO2濃度。

3.3人機(jī)交互

通過收集與處理 TENG 在接觸與非接觸的情況下產(chǎn)生的電信號(hào)，并且通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得與不同組件的交互能夠產(chǎn)生不同的摩擦電信號(hào)，如形狀各不相同的數(shù)字或字母。然后通過對(duì)電信號(hào)的分析實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，如密碼通信，自供電警報(bào)器等。例如，YI等人[60]設(shè)計(jì)了一種三明治結(jié)構(gòu)的全纖維基TENG（圖6（a）-（g）），并通過集成大面積不同字母形狀的 TENG制作了一種自供電可穿戴鍵盤，該鍵盤不僅可以跟蹤和記錄電生理信號(hào)，還可以利用Haar小波識(shí)別個(gè)體的打字特征（圖6（h）-（k）），實(shí)現(xiàn)無電源的密碼輸入。CHEN等人[61]設(shè)計(jì)了一種基于摩擦電子刺繡的自供電、全織物數(shù)字鍵盤，能夠收集能量并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該織物基數(shù)字鍵盤能根據(jù)每個(gè)數(shù)字捕獲信號(hào)的電壓峰值和形狀的差異的區(qū)別，識(shí)別并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3.4空氣過濾

不同材料間通過摩擦起電吸引灰塵，紙屑等微小物質(zhì)的現(xiàn)象在生活中非常常見，利用這一現(xiàn)象，基于 TENG 的高效過濾系統(tǒng)得到了廣泛研究。基于摩擦電氣化，利用不同纖維材料間摩擦電現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)靜電過濾技術(shù)，通常與纖維過濾原理同時(shí)作用，確保了高效和高過濾效率，并提供了基于 TENG 自供電能力的多功能優(yōu)勢[62]。 PENG等人[63]利用靜電紡PVDF納米纖維薄膜與尼龍織物之間的摩擦電效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種自充電空氣過濾器口罩。該口罩通過將 PVDF 過濾介質(zhì)與兩個(gè)摩擦電層（即尼龍織物）復(fù)合（圖7（a）），通過呼吸作用使正負(fù)摩擦層不斷接觸分離產(chǎn)生靜電電荷（圖7（b）-（d）），其有效壽命長達(dá)60小時(shí)（包括30小時(shí)的佩帶，圖7（e）-（f），對(duì)0.3μm顆粒的最低過濾效率為95.8%，與使用外部電源輸送電荷或在低空氣速度下進(jìn)行測試的口罩相比，依然具有明顯的過濾效率和透氣性優(yōu)勢（圖7（g））。此外，TENG可以產(chǎn)生與呼吸氣流相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)電信號(hào)，能夠識(shí)別不同強(qiáng)度、長度和頻率的人類呼吸，在高效過濾的基礎(chǔ)上，結(jié)合自供電傳感實(shí)現(xiàn)呼吸監(jiān)測及人機(jī)交互的智能化過濾系統(tǒng)也是未來的研究重點(diǎn)。例如，HE 等人[64]提出了一種以PAN和PVDF納米纖維膜為過濾材料的具有呼吸監(jiān)測功能 TENG面罩。該面罩在0.3-5μm顆粒過濾效率達(dá)到99%的同時(shí)，能夠監(jiān)測多種呼吸指標(biāo)，如吸入時(shí)間、呼出時(shí)間及其比值（IER），實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下呼吸信號(hào)的持續(xù)監(jiān)測。

4結(jié)論與展望

纖維材料具有輕質(zhì)、透氣透濕與高柔性等特點(diǎn)，在人體皮膚和外界環(huán)境之間能夠高效傳熱傳濕，相比于其他材料更適合長時(shí)間穿戴，是制備 TENG的一種理想材料，近年來得到了研究者們的廣泛關(guān)注。纖維材料價(jià)格相對(duì)低廉，材料來源廣泛，并且現(xiàn)有紡織工業(yè)體系相對(duì)成熟。因此，在設(shè)計(jì)與制備 TENG的過程中需要盡量滿足現(xiàn)有紡織加工需求，融入紡織與服裝加工體系中，能夠顯著降低成本并易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。近年來，隨著研究人員的不斷努力，該領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，但仍有一些不足，未來需要得到更多的關(guān)注：

（1）受其工作原理的約束，TENG 在持續(xù)工作中不可避免的會(huì)受到變形與磨損。纖維基 TENG 如何在形變過程中保持穩(wěn)定輸出是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，尤其是多次水洗后的輸出性能。因此，選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)保證輸出的穩(wěn)定性是非常關(guān)鍵的。

（2）纖維基 TENG 與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等系統(tǒng)的有效結(jié)合也是未來研究的重點(diǎn)，尤其是自供電系統(tǒng)需要通過電路設(shè)計(jì)及信號(hào)傳輸模塊的組合，將實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸并通過算法轉(zhuǎn)化為可讀數(shù)據(jù)，是滿足可視化、實(shí)時(shí)化自供電系統(tǒng)的重要條件。

（3）目前纖維基TENG的商用產(chǎn)品較少且缺少標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估體系。一方面，纖維基TENG的能量輸出還需要較大的提升以滿足對(duì)于可穿戴能源系統(tǒng)的需求。另一方面，纖維基TENG的輸出性能也有較大的懸殊，為了規(guī)范與指導(dǎo)相關(guān)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的開發(fā)，需要在未來建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估體系。

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（責(zé)任編輯：周莉）