紡織基摩擦納米發(fā)電機的研究進展

楊月茹 崔翔宇 夏 鑫 王 穎 程 璐

（新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊，830046）

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，綠色可再生能源（如太陽能、機械能、微生物化學(xué)能等）的探索與開發(fā)已成為各領(lǐng)域的研究熱點，近年來諸學(xué)者更是在人體機械能的應(yīng)用領(lǐng)域掀起了一股浪潮。同時，互聯(lián)網(wǎng)信息時代的到來，促使人工智能和無線傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展，成為高新科技的代名詞。另一方面，基于人們對便利生活的向往和需求，智能化可穿戴電子設(shè)備應(yīng)運而生。2012 年，王中林教授及其團隊提出了基于摩擦起電與靜電感應(yīng)原理的摩擦電發(fā)電機（即Triboelectric Nanogenerator，以下簡稱TENG），自此打開了新型供能系統(tǒng)研究的大門［1］。2014 年，ZHONG J W 等首次報道了基于纖維結(jié)構(gòu)的TENG，此后各種形式的纖維或織物基柔性 TENG 如雨后春筍般涌現(xiàn)［2］。目前，已有多種紡織基TENG 被創(chuàng)造并報道，諸學(xué)者就其應(yīng)用領(lǐng)域分別提出了許多可能性，且部分研究成果已得到小規(guī)模的實際應(yīng)用。TENG 的研究包羅萬象，但由于基礎(chǔ)材料的種類和結(jié)構(gòu)設(shè)計較多，存在分類不清以及缺少對其發(fā)展體系全面系統(tǒng)的梳理介紹。對此，本研究從紡織基柔性TENG 的不同器件結(jié)構(gòu)以及織造工藝，歸納并總結(jié)紡織基TENG 在近年的研究成果，并按紡織基TENG 的不同應(yīng)用領(lǐng)域，對其應(yīng)用現(xiàn)狀分類做系統(tǒng)性綜述，提出了紡織基柔性TENG 目前亟需解決的問題，并展望了其未來的應(yīng)用前景。

1 TENG 的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

TENG 的工作主體由摩擦材料層、電極材料層、導(dǎo)電線三部分組成。工作原理為摩擦起電效應(yīng)，即當(dāng)兩種材料接觸時，在接觸位置將形成化學(xué)鍵，電荷通過化學(xué)鍵在兩種不同材料之間轉(zhuǎn)移以平衡兩者的電勢；當(dāng)兩種材料分離后，兩材料對應(yīng)接觸面中的一個會存有多余的電荷，而另一個接觸面則會流失相應(yīng)的電荷，造成電勢高低的不同，產(chǎn)生摩擦電流。

按結(jié)構(gòu)差異，目前一般將TENG 工作模式分為4 種：單電極式（最簡單模式）、垂直接觸分離式（采取最廣泛的）、水平滑動式以及自由運動式，應(yīng)用時依據(jù)不同需求采取相應(yīng)的工作模式。單電極式如圖1（c）所示，即為一個電極材料和一個摩擦材料組合作為TENG 的元件，且與大地相連，另一個運動摩擦層則來自外界環(huán)境，如人體皮膚等；垂直接觸分離式如圖1（a）所示，水平滑動式如圖1（b）所示，兩者僅在摩擦運動形式上有所不同，即前者摩擦材料層在垂直方向上下擠壓接觸，后者則為摩擦材料層于水平方向進行滑移摩擦，結(jié)構(gòu)皆由導(dǎo)電線相連的上、下兩層背部附著電極材料的摩擦材料與導(dǎo)線相連而成；與其他結(jié)構(gòu)相比，自由運動式如圖1（d）所示，由一層摩擦薄膜材料與兩個彼此通過導(dǎo)線相連的導(dǎo)電電極材料構(gòu)成，兩個電極同時具有摩擦材料和電極材料的作用。

圖1 TENG 的4 種工作模式

2 紡織基TENG

紡織基TENG 由纖維、織物為基本組織結(jié)構(gòu)，具有機械能收集能力。由于纖維或紗線具有斷裂強度高、拉伸性能好等特點，故紡織基TENG 大都具有較強抗機械變形能力、柔軟性、可洗性等優(yōu)異的服用性能。同時，相較于其他材料，紡織基TENG 更容易被設(shè)計進衣物結(jié)構(gòu)中，并且對人體運動部位的貼合度更高，可以更敏感地捕捉到人體運動所產(chǎn)生的機械能，進而擁有更良好的電學(xué)輸出性能。

2.1 纖維基TENG

纖維基TENG 是紡織基TENG 的基礎(chǔ)，材料選擇多樣，其設(shè)計結(jié)構(gòu)可分為同軸或核殼結(jié)構(gòu)兩種。本研究提出將纖維基TENG 分為三類：第一類為螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，即兩根纖維通過纏繞卷曲形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；第二類為多層包裹結(jié)構(gòu)，以一根纖維為基礎(chǔ)芯，其他材料層層包覆；第三類為前兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)合，相比前兩種結(jié)構(gòu)，其具有更好的穩(wěn)定性和電輸出性能。

2.1.1 螺旋纏繞結(jié)構(gòu)

2014 年，ZHONG J W 等提出了基于雙螺旋結(jié)構(gòu)的纖維基TENG。采用“浸潤?烘干”的方法制得CCT 與PCCT 兩種材料，然后兩種材料各取一根，將其纏繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)，組成雙螺旋結(jié)構(gòu)的纖維基TENG。CCT 與PCCT 將在接觸中因相對運動的摩擦而產(chǎn)生電能。雙螺旋結(jié)構(gòu)纖維基TENG 的結(jié)構(gòu)簡單，容易制備；雖然其有效接觸面積有限，該電子元件的輸出電流較弱，但也證實了將機械能量收集器融入到人類服裝的可能性，為可穿戴器件和智能化服裝的研制奠定了基礎(chǔ)。

隨著對柔性TENG 電輸出性能和服用性能等要求的提高，此后不斷有學(xué)者對其結(jié)構(gòu)進行研究并優(yōu)化。2017 年，YU A F 等將承擔(dān)導(dǎo)電作用的不銹鋼（即Stainless Steel，以下簡稱SS）纖維作為芯纖維，并將數(shù)根具有介電性的纖維通過高速繞芯旋轉(zhuǎn)、纏繞于具有一定張力的SS 纖維上，形成具有螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的 TENG［3］。此 TENG 一般被機織或編織成織物，具有極強的靈活性，三種TENG 工作模式，單電極模式、接觸分離式、自由運動式都可以實現(xiàn)。由于該TENG 的導(dǎo)電材料可選取銅纖維、鋁纖維或碳質(zhì)材料纖維，摩擦材料可選取棉、蠶絲、滌綸等紡織材料，一方面使得TENG 的制備材料來源廣泛，使其制造成本低；另一方面使用天然纖維作為外殼纖維，有利于提升人體穿著舒適感，沒有化學(xué)纖維造成皮膚不適的問題；此TENG 利用機器高速旋轉(zhuǎn)纏繞外殼纖維的方式，使得該TENG 制備簡單，生產(chǎn)效率高，為工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)線制造提供了有力依據(jù)；同時，相較于其他TENG，該TENG 具有優(yōu)異的可洗性，并可以通過裁剪和縫紉，靈活決定TENG 的用量。

2019 年，XIE L J 等設(shè)計出了一種內(nèi)部為螺旋鋼絲而外部由硅橡膠覆蓋的單電極纖維基TENG（以下簡稱 FST?TENG）［4］。將螺旋鋼絲接地作導(dǎo)電材料，人體皮膚作摩擦材料，當(dāng)皮膚和電極間做持續(xù)接觸分離運動時，電子將在硅橡膠表面和皮膚接觸面間往復(fù)轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生交流電流和輸出功率。一個長6 cm、直徑3 mm 的單根FST?TENG 在 2.5 Hz 的運動頻率下，可產(chǎn)生59.7 V 的開路電壓，且最大短路電流為2.67 μA，與雙螺旋結(jié)構(gòu)纖維基TENG 相比，其短路電流提升了兩個數(shù)量級。此外，F(xiàn)ST?TENG 的可拉伸性能和耐磨性好，亦可以使其彎曲，以定制成所設(shè)計的形狀，而不損害其電學(xué)性能。這極大地拓展了TENG 的可利用范圍，并由此引導(dǎo)出依據(jù)力學(xué)性能、服用性能等之于材料選擇的探究；當(dāng)今，以均衡器件綜合性能為著眼點的材料選擇和處理方法的研究逐漸趨于主流。

2.1.2 多層包裹結(jié)構(gòu)

多層包裹結(jié)構(gòu)大多采用涂覆法將材料層層包覆。2017 年，CHENG Y 等報道了具有同軸芯鞘光纖結(jié)構(gòu)的可拉伸TENG［5］。該團隊在施加了預(yù)張力的PU 線表面涂覆PU 溶液并立即粘貼一層銀納米線AgNW，然后再涂覆一層PTFE 得到PU?AgNW?PTFE 芯線。同樣在 PDMS 膜表面附著一層AgNW，得到PDMS?AgNW 層。通過煅燒，AgNW 間的相互黏性得到提高。同時，Ag?NW 的微觀結(jié)構(gòu)，增大了摩擦材料之間的實際接觸面積，提高了發(fā)電效率。但涂覆法應(yīng)考慮到各層材料間黏牢度和成品之于單一材料有關(guān)服用性能的改變，以及在長期工作中輸出性能的穩(wěn)定，即外涂材料的耐磨性能應(yīng)當(dāng)足夠可靠。

2017 年，YU X H 等開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)較上述器件更復(fù)雜化的多層包裹結(jié)構(gòu)TENG［6］。此器件分兩部分組成：以CNT 包覆PDMS 作為整個TENG 器件的核心，PMMA 微球沉積在內(nèi)層CNT 上，CNT 夾于兩層 PDMS 中間形成的中空圓柱體作為整個TENG 器件的外殼，最后將兩部分組合形成該器件。該器件最外層包覆的介電材料防止電荷泄露，提高安全性；器件中的微球結(jié)構(gòu)增大了導(dǎo)電電極與摩擦材料的有效接觸面積，從而增加電荷量。但采用微球結(jié)構(gòu)需要考慮到微球結(jié)構(gòu)所用材料的耐磨性、排列有序性對其電輸出性能的影響。

2018 年，TIAN Z M 等用鍍鎳聚酯織物包覆內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)的硅膠管，在熱收縮管周圍涂覆導(dǎo)電硅橡膠混合物制成具有較大直徑的空心外管，外管冷卻后將內(nèi)芯插入外殼，再將空氣注入內(nèi)管與外管之間的空間形成氣囊，最后由硅橡膠封裝整個器件構(gòu)成CSTN［7］。氣囊結(jié)構(gòu)可以有效地提高摩擦發(fā)電性能，長度6 cm 的CSTN 可以產(chǎn)生11 mA 的短路電流和380 V 的開路電壓；同時也具有較好的可彎曲性，可以根據(jù)其在不同變形角下的信號輸出，感知不同的彎曲角或扭轉(zhuǎn)角。這項研究表明，CSTN 具有很大的應(yīng)用前景。但是采用空氣隔層結(jié)構(gòu)，各部件運動相對靈活，內(nèi)芯與外殼在不斷的相互摩擦運動下能否保持其電輸出性能最有效時的固定空間位置有一定的不確定性。多層包覆結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)簡易，導(dǎo)致其基本結(jié)構(gòu)無法變動，但要考慮到增強TENG 的電輸出性能，因此諸學(xué)者將TENG 的研究點著眼于在多層包覆結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如增加空氣隔層、增加微球結(jié)構(gòu)等。

2.1.3 螺旋纏繞結(jié)構(gòu)與多層包裹結(jié)構(gòu)的結(jié)合

為實現(xiàn)TENG 的高電輸出性能，纖維基TENG 的結(jié)構(gòu)不斷改進，在此過程中發(fā)現(xiàn)將螺旋纏繞結(jié)構(gòu)與多層包覆結(jié)構(gòu)結(jié)合可以較好地實現(xiàn)此目的。

2017 年，HE X 等將硅橡膠用作可拉伸纖維芯，通過在硅橡膠纖維上涂覆導(dǎo)電CNT 墨水制造導(dǎo)電材料，再包覆一層硅橡膠薄膜作摩擦材料，最后令銅絲成為TENG 的另一種可拉伸電極，纏繞在上述組合結(jié)構(gòu)上以制成TENG［8］。在0.5 Hz～5 Hz 的低頻拉伸范圍內(nèi)，該TENG 的運動模式可通過拉伸運動輕松實現(xiàn)，在單根纖維狀TENG中，每個拉伸循環(huán)可產(chǎn)生最大開路電壓142.8 V，而且具有出色的穩(wěn)定性和耐用性。

2019 年，KIM D Y 等提出了新型的核?殼和螺旋結(jié)構(gòu)圓柱形 TENG（以下簡稱 CCTENG）［9］。它既有螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，同時也具多層包覆結(jié)構(gòu)，其核心為螺旋纏繞著導(dǎo)電纖維的聚氨酯纖維，外殼包括圓柱形硅膠管與其內(nèi)壁的導(dǎo)電涂層。CC?TENG 通過施加外力，帶動管內(nèi)導(dǎo)電材料之間的摩擦產(chǎn)生電能，可產(chǎn)生169 V 的最大開路電壓和18.9 μA 的電流。與利用有限運動方式的傳統(tǒng)TENG 不同，CCTENG 可通過多種形變（包括切向壓縮和軸向拉伸）和內(nèi)部材料間的相對運動產(chǎn)生能量，所受到的環(huán)境約束將更少，或可更好地應(yīng)用于可穿戴器件的設(shè)計。

2.2 織物基TENG

基于纖維或織物的TENG 能夠收集人運動產(chǎn)生的各種刺激信號進而轉(zhuǎn)化成電信號，其有效程度取決于摩擦材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。纖維基TENG 結(jié)構(gòu)簡單，易于制備，但其電輸出性能較低，這促使了能量密度較高的織物基TENG 的發(fā)展，后者在結(jié)構(gòu)與性能上的改善將為可穿戴器件的發(fā)展提供更實際有利的條件。

2.2.1 多層堆疊法

2014 年，CUI N 等堆疊組裝了由錦綸織物和滌綸織物構(gòu)成的基于橫向滑動工作模式的光柵結(jié)構(gòu)紡織基 TENG［10］。2015 年，CHEN J 等利用多層透明薄膜材料組成單電極式TENG，該器件由一層PET 和兩層ITO 電極材料構(gòu)成類三明治結(jié)構(gòu)，于頂層ITO 上再黏附一層FEP，以作摩擦材料，與皮膚接觸產(chǎn)生電荷［11］。2019 年，邱倩制備了全織物結(jié)構(gòu)的TENG，將經(jīng)處理獲得的表面附著有PVDF/PTFE 復(fù)合微球的滌綸織物置于柔性導(dǎo)電織物上，再將其整體置于一層純滌綸織物的基底材料上，完成單電極式TENG 的組裝［12］。多層堆疊法操作相對簡單，對材料的選擇范圍較廣，亦可作多種不同的組合，但在制備過程中應(yīng)考慮到器件總體結(jié)構(gòu)的厚度與其彎折性能以及透氣性等服用性能。

2.2.2 紡織織造法

紡織織造法即通過對纖維或者紗線進行增加摩擦性能和導(dǎo)電性能的預(yù)處理，再采用紡織織造的方法構(gòu)成織物基TENG，包括機織法和針織法，此類TENG 通常具有更優(yōu)異的電輸出性能。

機織法。2017 年，DONG K 等織造了三維正交編織TENG。將不銹鋼纖維與滌綸的混紡紗作為經(jīng)紗，PDMS 涂層紗作為緯紗，并在厚度方向輔以捆綁紗，織造得到三維正交結(jié)構(gòu)［13］。其中PDMS 為TENG 的電負性摩擦材料，不銹鋼、滌綸混紡紗既是電正性摩擦材料，也是電極。2020年，LOU M N 等采用核?殼結(jié)構(gòu)將錦綸長絲、PT?FE 長絲分別螺旋纏繞不銹鋼紗制成類似紗線結(jié)構(gòu)，機織成織物基TENG［14］。目前不僅能制備出二維織物，也可以研發(fā)出具更高輸出性能的三維織物基TENG，為TENG 的更廣泛應(yīng)用提供了一定的技術(shù)支持。

針織法。2017 年，DONG K 等通過在導(dǎo)電紗表面涂覆硅橡膠，制備得到了單根能量收集紗，并通過針織工藝制備了具有圈套結(jié)構(gòu)的TENG；該針織結(jié)構(gòu)TENG 具有良好的柔性和彈性，并更善于對人體能量的收集。KWAK S 等制備了全針織TENG，選用Ag 導(dǎo)電紗和PTFE 線分別作為電極和電負性摩擦材料，通過針織法得到上下對稱的雙拱形TENG［15］。其中，上部拱形外側(cè)是Ag 針織面料，內(nèi)側(cè)是PTFE 針織面料，上下拱形的中間為Ag 針織面料。

2.2.3 靜電紡絲法

近年來，靜電紡絲技術(shù)已趨于成熟化，由于其具有工藝易調(diào)控、原料選擇性廣、成本低等特點，與TENG 所追求的輕質(zhì)柔軟、制造成本低廉、靈敏度高等特點相適應(yīng)，所以基于靜電紡絲技術(shù)TENG 制備的研究已然成為當(dāng)今乃至未來可持續(xù)發(fā)展的一大熱點課題。就當(dāng)前以靜電紡絲法制備TENG 的研究成果來看，所制備出的TENG 器件具有俘能性能強、穿著舒適性好的優(yōu)勢，且種類多樣，在功能上除了滿足電學(xué)以及力學(xué)性能的需求，可以考慮更多使用方面存在的問題，使得紡織基TENG 向著更成熟的方向發(fā)展。

2020 年，張嘉漢通過靜電紡絲法制備了一種具有三維二級心臟狀微納米纖維的TENG（以下簡稱 HMN?TENG），將 PVDF 纖維基負摩擦層設(shè)計并自組裝成三維二級心臟狀微納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能與正摩擦層表面的凹陷結(jié)構(gòu)相匹配，產(chǎn)生“咬合效應(yīng)”，擴大有效接觸面積［16］。同年，WANG N等通過靜電紡絲技術(shù)，利用高速滾筒制備出各纖維有序排列的PA6 以及PVDF 納米纖維薄膜，并將其作為摩擦材料，而金屬鋁則作為電極材料，構(gòu)建了一種具有各向異性的垂直接觸分離式TENG［17］。與上述 TENG 有相似的上下層扣合結(jié)構(gòu)，但此TENG 不僅通過咬合效應(yīng)擴大了有效接觸面積，而且具有“上鎖保險”功能。當(dāng)上下層結(jié)構(gòu)相互嵌入（正常工作）時，該TENG 輸出電壓達到約216.13 V，可作為很好的電源；而當(dāng)TENG 的上下層結(jié)構(gòu)垂直放置時，TENG 的輸出電壓及輸出電流遠小于正常工作時輸出的電壓電流。故而，在開路狀態(tài)下，如產(chǎn)生意外接觸情況，該TENG 可通過上下層結(jié)構(gòu)的垂直旋轉(zhuǎn)來減弱ESD（高電壓電荷在表面上的積聚對附近電路產(chǎn)生靜電放電的風(fēng)險）現(xiàn)象；由于在柔性環(huán)境中的電極接觸是不可避免的，這種設(shè)計可以有效防止閑置的納米發(fā)電機積累焦炭并燒毀電源電路。

SU M 等首次采用以靜電紡絲和電噴霧相結(jié)合的方法，開發(fā)了一種基于絲和碳納米管的柔性纖維襯底TENG 器件［18］。首先以靜電紡絲法制備絲纖維的薄襯底，其次用電噴霧技術(shù)于絲薄膜上噴射CNT 與絲素蛋白混合溶劑。絲纖維薄膜可以隔離TENG 器件對人體的影響，進一步確保輸出的穩(wěn)定性，而頂部噴涂層可同時作為摩擦層和電極。與以往相比，這種新開發(fā)的TENG 具有更靈活的微層狀結(jié)構(gòu)，能夠提供高度自由的穿著體驗和可觀的電輸出，同時滿足簡單、耐用和靈活的要求。

張志從織物基TENG 的結(jié)構(gòu)設(shè)計方向，創(chuàng)新制備了一種新型的“氣囊密封?空氣間隔”結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機（以下簡稱A?TENG），利用氣囊內(nèi)一定壓力的空氣作為兩層摩擦材料之間的支撐間隔材料，從而實現(xiàn)摩擦材料間的柔和接觸分離，并減少外界環(huán)境因素的影響［19］。A?TENG 能有效地應(yīng)對潮濕環(huán)境，收集多種形式的機械能，具有輕質(zhì)、制備簡單、成本低、靈活等優(yōu)點，進一步拓寬了TENG 的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 目前紡織基柔性TENG 在可穿戴領(lǐng)域上的應(yīng)用

研究紡織基柔性TENG 的目的是使其與我們?nèi)粘４┲囊挛锵嘟Y(jié)合，以捕捉并利用人體運動產(chǎn)生的機械能，因此紡織基TENG 的主要應(yīng)用便是用于制造智能化可穿戴電子設(shè)備。而智能化可穿戴電子設(shè)備又可聯(lián)系于生活的方方面面，各研究學(xué)者提出的應(yīng)用很多，但由于其內(nèi)容過于零碎散亂，本研究從醫(yī)療科技領(lǐng)域和日常應(yīng)用領(lǐng)域兩個方面，總結(jié)歸納目前柔性紡織基TENG 已經(jīng)得到的應(yīng)用情況。

3.1 應(yīng)用于醫(yī)療科技領(lǐng)域

由于柔性紡織基TENG 既具有紡織品的特性（例如柔軟性、彈性、可折疊性、可水洗性、可剪性、穿著舒適性等），同時又具有電源的可供能性，外加之傳感器的信息數(shù)據(jù)化，使得智能化可穿戴電子設(shè)備可擁有微型化、便攜化、多功能化的特點，從而具備了醫(yī)學(xué)治療等高科技領(lǐng)域所要求的精細、準(zhǔn)確的條件。在大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)逐漸普及的時代，醫(yī)療機構(gòu)可幫助患者穿戴能實時監(jiān)測身體健康情況數(shù)據(jù)的智能化電子設(shè)備，以便進行醫(yī)患連線、遠程就醫(yī)、居家康復(fù)治療，或可為緩解人口眾多帶來的醫(yī)療資源緊張等問題提供解決方案［20］。以下為本研究歸納的幾種用于醫(yī)學(xué)治療的基于柔性紡織基TENG 智能化可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用。

3.1.1 監(jiān)測人體生理活動

當(dāng)前我們測試心率、呼吸頻率、血壓等數(shù)據(jù)時，最普遍地會使用血壓計，但血壓計常存在著測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不穩(wěn)定以及測試舒適性低的問題，而基于紡織基TENG 智能化可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)，或可有效地解決這個問題。目前，一種可植入式TENG 的電輸出信號不僅可以反映心率，而且能夠指示生理和病理上的心血管狀態(tài)，包括心內(nèi)膜壓力、心室顫動和心室過早收縮等，現(xiàn)其已經(jīng)被成功地植入豬的心臟并將其心室的血流能量轉(zhuǎn)換為電能［21］。除了此種安全風(fēng)險性相對較高的最直接測量心率的方法，還可以通過監(jiān)測脈搏來間接反映心跳頻率，后者不僅在目前得到了較廣泛而深入的探究，而且更適用于普及應(yīng)用；例如，YU A F 等選擇導(dǎo)電紗線和商用錦綸紗、不銹鋼絲線三種材料開發(fā)了一種基于核芯?殼結(jié)構(gòu)TENG 的傳感器，其將能夠同時監(jiān)測動脈脈搏信號和呼吸信號。LOU M N 等也在研究中開發(fā)了相似構(gòu)造的摩擦電傳感紡織品，其能夠輕松記錄符合頸動脈脈搏的生理信號。CUI X N 等提出的一種將具有ITO 涂層的PET 膜與具有溝槽結(jié)構(gòu)的PDMS 薄膜堆疊而成的單電極TENG 的脈沖傳感器，并從其輸出脈沖信號中成功提取出呈現(xiàn)動脈壓力波的典型人體脈沖［22］。

測試呼吸頻率的設(shè)備根據(jù)其獲取機械能進而轉(zhuǎn)化為電信號的不同運動方式可分為兩種。其一，由呼吸過程中的胸腔和腹腔的擴張?收縮變化驅(qū)動的TENG［23］。此種機械能的獲取方式要求制備材料要具有彈性和延展性，例如橡膠或PD?MS，它們將使得所制備的TENG 具有良好的柔韌性和靈敏度［24?25］；可以將其附著在胸腔上監(jiān)測胸腔、腹腔的擴張和收縮變化，從而監(jiān)測不同呼吸狀態(tài)和呼吸頻率的變化。其二，應(yīng)用由鼻子或嘴吸入和呼出的氣流所驅(qū)動的TENG 來監(jiān)測人體呼吸，在此同時還可用于防塵口罩等［26］。

3.1.2 檢測損傷肢體恢復(fù)情況

一種基于PDMS 的柔性TENG 具有超薄、緊湊、超輕和具有優(yōu)異的柔韌性等特點，可以輕松地附著在人體皮膚或可穿戴織物上，并能夠監(jiān)測手指、手腕、肘部等關(guān)節(jié)不同角度的屈伸變化，檢測肢體彎曲和伸展［27］。指關(guān)節(jié)受傷患者可以將作為主動傳感器的TENG 套在手指上以監(jiān)測手指關(guān)節(jié)的屈伸度、速度和方向，從而達到檢測傷勢恢復(fù)狀況的效果［28］。

3.1.3 替代人體感官

目前，基于紡織基TENG 的自供電仿生膜傳感器已得到較為廣泛的應(yīng)用，這將給部分不幸的患者帶來新的希望。例如，超仿真電子皮膚具有感覺和觸覺，可以和人體一樣感知外界存在的不同壓力，這將是皮膚損傷患者的福音［29］。智能假肢也已經(jīng)能夠被制造出來，這一方面可以使得殘疾人擁有更高級的假肢，幫助其恢復(fù)到正常生活，另一方面亦可以應(yīng)用于智能機器人身體部位，幫助患者做康復(fù)性活動。此外，自供電摩擦電聽覺傳感器可以安裝在耳朵上，用于社交機器人或作為助聽器［30］。

3.2 應(yīng)用于日常民用領(lǐng)域

迄今為止，紡織基TENG 在智能化可穿戴設(shè)備上的另一大主要應(yīng)用是在日常的民用領(lǐng)域。這些應(yīng)用了TENG 的設(shè)備能夠為使用者提供生活便利或增添生活樂趣，如實時監(jiān)測使用者運動時的身體健康情況數(shù)據(jù)，從而保證運動在安全、適度的情況下進行。以下，本研究以智能化可穿戴電子設(shè)備是否接觸皮膚來分類歸納。

3.2.1 直接接觸

直接接觸人體的最典型的智能化可穿戴設(shè)備被穿戴在胳膊肘部、腿部、腳腕處等，用于運動數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測生理數(shù)據(jù)，如心率、步數(shù)、燃燒卡路里量等，絕大多數(shù)的紡織基TENG 都可以應(yīng)用于此。例如：一種綠色環(huán)保多孔納米復(fù)合織物基TENG（以下簡稱PNF?TENG）可對運動和健身訓(xùn)練中的人體運動提供實時運動數(shù)據(jù)，以輔助獲得更好的活動效果。其主要被設(shè)計為兩款產(chǎn)品，一種是基于PNF?TENG 的智能運動肘部支架，用于檢測抬舉啞鈴運動過程中手臂的擺動幅度，另一種是基于PNF?TENG 的智能抓地力球，用于實時監(jiān)測運動者的抓地力。

除了用于監(jiān)測運動數(shù)據(jù)外，紡織基TENG 亦滲透于生活中的方方面面。例如：BAI Z Q 等提出了一種可多次使用的可清洗高效摩擦式空氣濾清器（以下簡稱TAF），只需將PTFE 和錦綸織物相互摩擦即可為TAF 充電；經(jīng)試驗測定，在較高的相對濕度下，其對PM 2.5 的去除效率非常穩(wěn)定，因此TAF 有望用于制造可重復(fù)使用的高效防塵面罩。商務(wù)手表也能夠通過可穿戴PNF?TENG 的驅(qū)動得以連續(xù)運行［31］。LIN Z M 等利用摩擦納米發(fā)電機原理研制了一種可水洗的智能床單，用于實時檢測睡眠行為，并實現(xiàn)了自供電［32］。此外，ZHONG J W 等研發(fā)的“動力襯衫”亦成功地觸發(fā)了自制的無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2.2 間接接觸

一類廣泛被應(yīng)用的基于紡織基TENG 智能化可穿戴產(chǎn)品為鞋墊，該鞋墊的一大功能為可供能源，并且所產(chǎn)生的電能既能夠為商業(yè)LED 燈泡供電，又可以作為手機充電的電源；其二，可用于實時監(jiān)測人類運動狀態(tài)，當(dāng)老年人穿戴上該產(chǎn)品，可通過此功能時刻了解老人的安全狀況，防止其摔倒而救援不及時等問題的發(fā)生［33］。此外，集成于眼鏡鏡框上的TENG 可通過眨眼觸發(fā)控制器，并將捕捉到的眨眼的微小動作轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)處理得到無線控制風(fēng)扇、電燈等小型常用家庭電器，甚至能夠根據(jù)眨眼的次數(shù)控制輸入軟件來進行打字［34］。還有學(xué)者制備了將穿戴式TENG與電磁發(fā)生器相結(jié)合的一種能夠應(yīng)急報警的自供電頭盔，并可為照明和定位提供可持續(xù)的能源，在礦山經(jīng)營、勘探和工程等領(lǐng)域創(chuàng)造了較大的應(yīng)用潛力。為方便和優(yōu)化人們的生活，可折疊卷曲的智能鍵盤等更多的產(chǎn)品將被研發(fā)并制造出來。

4 現(xiàn)存問題及未來展望

電輸出性能低，且受環(huán)境影響較大。未來需將紡織材料性能與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，以此為突破口，設(shè)計與人體運動界面相匹配的TENG 結(jié)構(gòu)提高其輸出性能。或與儲能技術(shù)結(jié)合，設(shè)計能源采集與存儲一體化的紡織基能源器件，從而實現(xiàn)互補發(fā)電，以確保穩(wěn)定供能。

穿著舒適性不佳，力學(xué)性能差。大多數(shù)紡織基TENG 制造粗糙，通常凸顯于服裝表面，不能隱藏其中，不僅造成美感缺失，且降低穿著舒適度。部分金屬導(dǎo)電材料加之硬質(zhì)摩擦材料的構(gòu)造更加限制了TENG 的穿著條件。此外，TENG 在工作時摩擦易造成纖維織物疲勞損傷，致使性能下降。如何充分利用紡織材料及其特殊結(jié)構(gòu)優(yōu)勢以提高TENG 的穿著舒適性，且保證良好的機械性能是現(xiàn)階段需要解決的問題之一。

制造成本高。試驗材料、設(shè)備及工藝成本較高限制了TENG 的批量生產(chǎn)。在保證質(zhì)量的前提下尋求低成本、高效率制造方式，是將紡織基TENG 帶入市場的前提。

環(huán)保、安全等問題。隨著人們生態(tài)環(huán)保意識以及TENG 在穿戴設(shè)備上應(yīng)用的需求，應(yīng)探索可生物降解TENG 及通過改變TENG 的放置結(jié)構(gòu)來解除靜電放電風(fēng)險，確保人體安全。此外，對其環(huán)保性、安全性及生物相容性能的評價也將成為未來的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

本研究從纖維和織物兩大層面歸納總結(jié)了目前紡織基TENG 的研究成果，在纖維層面按照TENG 不同的結(jié)構(gòu)類型分為螺旋纏繞結(jié)構(gòu)、多層包裹結(jié)構(gòu)、螺旋纏繞與多層包裹相結(jié)合的結(jié)構(gòu)；在織物層面按照TENG 不同的制備方法分為多層堆疊法、紡織織造法。從歸納的成果研究來看，不難發(fā)現(xiàn)紡織基TENG 的研發(fā)趨向于便攜化、微型精細化，在滿足紡織品特性的基礎(chǔ)上不斷提高電輸出性能。根據(jù)TENG 應(yīng)用情況的不同，分為醫(yī)療科技領(lǐng)域和日常民用領(lǐng)域，對柔性紡織基TENG 的應(yīng)用現(xiàn)狀做了系統(tǒng)性綜述，可全面地認(rèn)識到TENG 所擁有的極大的市場發(fā)展?jié)摿?，在未來智能化可穿戴器件中，TENG 必將滲透于我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>