摩擦納米發(fā)電機(jī)用于人體健康監(jiān)測(cè)的研究進(jìn)展

劉文娜，張正健

（天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

在后疫情時(shí)代，國(guó)民身體長(zhǎng)期處于亞健康狀態(tài)的現(xiàn)象引起了人們的廣泛關(guān)注。為了應(yīng)對(duì)這種情況，摩擦納米發(fā)電機(jī)（triboelectric nanogenerator,TENG）在人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了高速發(fā)展。利用TENG 可以將人體產(chǎn)生的分散式機(jī)械能轉(zhuǎn)化為持續(xù)性電能[1]，為可穿戴設(shè)備提供持續(xù)供電，檢測(cè)人體的生理參數(shù)和新陳代謝狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康的全方位監(jiān)測(cè)，在人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

TENG 解決了傳統(tǒng)可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備依賴(lài)電力供應(yīng)的問(wèn)題，從而解決了傳感器需要連接電線或使用電池的限制。這種創(chuàng)新大大減少了可穿戴醫(yī)療設(shè)備的使用限制，避免了佩戴不便以及生理不適等問(wèn)題[2]，同時(shí)還避免了頻繁充電的困擾。TENG 可穿戴設(shè)備具有許多顯著優(yōu)勢(shì)。首先，TENG 與生物相容性和可拉伸聚合物的集成提高了生物醫(yī)學(xué)傳感裝置的定位能力。其次，TENG 的使用可以提高患者的舒適度和隨后的患者使用依從性等，將TENG 運(yùn)用到醫(yī)學(xué)架構(gòu)中，可以提供許多性能優(yōu)異的生物醫(yī)學(xué)傳感解決方案。因此，TENG 已被定位為生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)發(fā)展的主要候選者。此外，其還具有操作簡(jiǎn)單、易于小型化、自適應(yīng)設(shè)計(jì)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。TENG 技術(shù)可以應(yīng)用于呼吸狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3]、心血管疾病治療[4]和人類(lèi)康復(fù)方面監(jiān)測(cè)[5]等，其載體包括起搏器[6]、神經(jīng)刺激器和神經(jīng)假體的可穿戴式紡織物或植入式器件，為醫(yī)學(xué)的發(fā)展進(jìn)步提供了技術(shù)支持。

將纖維素基TENG 編織成具有高舒適性、透氣性的衣物[7]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體狀態(tài)，可用于持續(xù)性生物醫(yī)學(xué)傳感監(jiān)測(cè)，以滿足對(duì)慢性病等長(zhǎng)期監(jiān)控的需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，柔性可穿戴電子技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，TENG 織物是未來(lái)柔性可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。本文對(duì)TENG 用于人體健康監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 摩擦納米發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)及作用機(jī)制

摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合作用，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，可以廣泛用于對(duì)環(huán)境中振動(dòng)能量的收集。經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，盡管TENG 的形狀結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，但其基本工作模式只有4 種，分別是：接觸-分離式、水平滑動(dòng)式、單電極式、獨(dú)立式，并且四種模式均具有摩擦材料層和感應(yīng)電極層（圖1）。

圖1 摩擦納米發(fā)電機(jī)的四種模式[8]

對(duì)于接觸-分離式TENG，兩種摩擦材料以相對(duì)垂直的方式做接觸分離運(yùn)動(dòng)，接觸分離的過(guò)程使得整體電勢(shì)不斷變化，這種變化的電勢(shì)驅(qū)使電子通過(guò)外電路在兩感應(yīng)電極間來(lái)回流動(dòng)，從而產(chǎn)生電信號(hào)。對(duì)于滑動(dòng)式TENG，兩種摩擦材料相對(duì)水平滑動(dòng)，這種滑動(dòng)使得整體電勢(shì)不斷變化，電子通過(guò)外電路在兩感應(yīng)電極間來(lái)回流動(dòng)，從而產(chǎn)生電信號(hào)。單電極式TENG 只有一個(gè)接地的感應(yīng)電極，同時(shí)具有可移動(dòng)的摩擦材料，這種工作模式的電勢(shì)變化引起電子在地和感應(yīng)電極間流動(dòng)，從而產(chǎn)生電信號(hào)。獨(dú)立式TENG 相較于單電極式，雖然也有一個(gè)可移動(dòng)的摩擦材料，但是其感應(yīng)電極則有兩個(gè)，并且對(duì)稱(chēng)擺放。獨(dú)立摩擦層運(yùn)動(dòng)引起的電勢(shì)變化驅(qū)使電子在兩對(duì)稱(chēng)電極之間流動(dòng)，從而產(chǎn)生電信號(hào)[9]。

2 摩擦納米發(fā)電機(jī)用于人體健康監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀

人體基本生理特征主要包括體溫、血壓、心率、耗氧量和血糖等。這些生理特征是人體生命活動(dòng)的表現(xiàn)，能夠直觀地反映出人體內(nèi)的變化，是人體健康必不可少的參照指標(biāo)。能夠方便、準(zhǔn)確地采集人體信息，特別是患者的生理信息，將有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、反饋和解決問(wèn)題。人體健康監(jiān)測(cè)包括對(duì)人體活動(dòng)和新陳代謝等產(chǎn)生的各種生物電信號(hào)或非電信號(hào)及其他參數(shù)進(jìn)行采集、量化、處理的過(guò)程[10]，其涉及傳感、控制、生物醫(yī)學(xué)、信號(hào)分析與處理等多項(xiàng)技術(shù)的交叉。這樣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅適用于普通人和病人的日常病理監(jiān)測(cè)，也適用于某些必須高度活躍且易發(fā)生危險(xiǎn)的職業(yè)。摩擦納米發(fā)電機(jī)能有效轉(zhuǎn)化人體活動(dòng)的機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，近年來(lái)有不少學(xué)者在這方面進(jìn)行研究，取得了較多成果。

2.1 在睡眠監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

睡眠質(zhì)量與人體健康息息相關(guān)，因此現(xiàn)在人們對(duì)于監(jiān)測(cè)睡眠情況的需求也變得越來(lái)越迫切?；谶@一需求，研究者致力于研發(fā)出一種既舒適且成本低的睡眠監(jiān)測(cè)傳感器，以便更好地了解人們的睡眠情況。KOU 等[11]基于柔性透氣摩擦納米發(fā)電機(jī)（FBTENG）傳感器開(kāi)發(fā)出一種具有壓感、舒適的智能枕（圖2（a）），可在睡眠期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頭部狀態(tài)。FBTENG 基于柔性和透氣的多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氟化乙烯丙烯（FEP）粉末，通過(guò)調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)和FEP 粉末，進(jìn)一步優(yōu)化FB-TENG 的供電輸出能力，實(shí)現(xiàn)了觸摸感應(yīng)和運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)。該研究不僅為睡眠監(jiān)測(cè)提供了一種可行的傳感裝置，還可以擴(kuò)展到對(duì)某些疾病的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，例如腦部疾病和頸椎病等。此外，DING 等[12]成功制備了碳納米管摻雜的多孔PDMS 膜，并基于此建立了一種自供電TENG 觸覺(jué)傳感器（圖2（b））。采用此碳納米管摻雜的多孔TENG 設(shè)計(jì)的睡眠監(jiān)測(cè)帶可提供關(guān)于實(shí)時(shí)呼吸和心跳的準(zhǔn)確信息。不過(guò)，該睡眠監(jiān)測(cè)帶需緊緊環(huán)繞人體心肺才能得到較精確的監(jiān)測(cè)信息，易引起使用者在睡眠過(guò)程發(fā)生難以呼吸等不適現(xiàn)象。

圖2 摩擦納米發(fā)電機(jī)在睡眠監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用[11-12]

YUE 等[13]基于TENG 制作可穿戴式自供電電子仿生皮膚，通過(guò)監(jiān)測(cè)呼吸頻率和心跳信號(hào)頻率來(lái)獲取和分析睡眠狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及評(píng)估使用者的睡眠信息，缺點(diǎn)是該電子仿生皮膚的制作過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，且成品不透氣導(dǎo)致使用者的舒適度較低?；诖?，PENG 等[14]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制作了全納米纖維TENG 自供電電子仿生皮膚，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的判斷與監(jiān)測(cè)，還可以滿足用戶(hù)對(duì)舒適性的要求。

近年，基于TENG 傳感陣列的智能枕填補(bǔ)了通過(guò)監(jiān)測(cè)頭部運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)睡眠監(jiān)測(cè)的空白，此智能枕能夠監(jiān)測(cè)睡眠時(shí)的動(dòng)作信息和預(yù)警掉床行為。這種智能枕便利舒適，無(wú)需佩戴任何設(shè)備，使人們可以保持最自然舒適的睡眠狀態(tài)，是一種非侵入式的睡眠監(jiān)測(cè)傳感器。另外，李若男[2]設(shè)計(jì)了一種由聚四氟乙烯（PTFE）和Fe 組成的雙通道TENG 自供電可穿戴傳感器，其具有制造工序簡(jiǎn)單、適合批量生產(chǎn)、響應(yīng)快速、防水穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn)，且佩戴方便，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，可以佩戴在身上或衣服的任何地方。所開(kāi)發(fā)的自供電可穿戴傳感器能夠進(jìn)行跌倒事件、睡眠呼吸疾病和睡眠安全警報(bào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而無(wú)需外部電源供應(yīng)，這對(duì)緩解能源短缺問(wèn)題的意義重大。

2.2 在呼吸監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

生理呼吸涉及吸氣和呼氣的呼吸循環(huán)，其中囊括了大量的生理相關(guān)信息及潛在疾病線索，目前尚未被充分利用。當(dāng)前，已有多種傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備用于監(jiān)測(cè)呼吸狀態(tài)，并致力于開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)，盡管其具有很強(qiáng)的臨床適用性和監(jiān)測(cè)精度，但操作復(fù)雜和依賴(lài)外部電源等缺點(diǎn)制約了其作為智能移動(dòng)醫(yī)療電子設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，并且不適合作為家用可穿戴設(shè)備在日常生活中進(jìn)行實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，摩擦納米發(fā)電機(jī)因其生物相容性好、佩戴舒適、成本低、對(duì)呼吸活動(dòng)在低頻和輕微振幅方面的靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于自供電呼吸監(jiān)測(cè)?；赥ENG 的傳感器可以精確、持續(xù)地監(jiān)測(cè)生理呼吸行為和呼出物質(zhì)的信息，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的醫(yī)療保健。

2020 年，新冠病毒（COVID-19）席卷全球，帶來(lái)重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此產(chǎn)生了很多醫(yī)療預(yù)防技術(shù)方案。用于呼吸傳感的摩擦納米發(fā)電機(jī)（RSTENG）被設(shè)計(jì)為面罩，并賦予其呼吸監(jiān)測(cè)功能。RSTENG 對(duì)呼吸流量的監(jiān)測(cè)輸出可分別達(dá)到8 V 和0.8 μA 左右，可隨呼吸狀態(tài)的不同而變化，證明了RS-TENG 對(duì)呼吸監(jiān)測(cè)的高靈敏度。將智能面罩與電路模塊相結(jié)合，可以構(gòu)建呼吸暫停報(bào)警系統(tǒng)，在人停止呼吸后及時(shí)發(fā)出警報(bào)。RS-TENG 還可用于控制家電，為殘疾人帶來(lái)便利[15]。

呼吸監(jiān)測(cè)是評(píng)估人體健康的有效方法，為呼吸系統(tǒng)疾病的預(yù)警和診斷提供有價(jià)值的信息。然而，傳統(tǒng)的呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備依賴(lài)于傳統(tǒng)供電模式，限制了其用于戶(hù)外探險(xiǎn)、游牧、長(zhǎng)跑等領(lǐng)域?qū)粑膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[16]。ZHANG 等[17]提出了一種基于側(cè)滑式摩擦納米發(fā)電機(jī)的可穿戴無(wú)線呼吸傳感器，通過(guò)感知腹圍的變化來(lái)監(jiān)測(cè)呼吸頻率，該裝置不僅可用于對(duì)呼吸暫停癥狀的檢測(cè)，還可用于呼吸的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其工作機(jī)理為當(dāng)人呼吸時(shí)它能感知腹圍的變化，并輸出包含呼吸過(guò)程節(jié)律信息的電信號(hào)。TENG 傳感器內(nèi)置在可穿戴雙層帶中，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其分別采用厚度為100 μm 的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜和厚度為30 μm 的尼龍薄膜作為負(fù)極和正極摩擦材料，在摩擦層的外表面貼上兩層厚度為50 μm 的銅箔作為導(dǎo)電電極，利用兩個(gè)丙烯酸片作為支撐以保持介電材料平坦。通過(guò)理論分析，預(yù)測(cè)了其輸出信號(hào)，并驗(yàn)證了TENG 作為呼吸傳感器的可能性。

圖3 可穿戴無(wú)線呼吸傳感器[17]

呼吸是生物醫(yī)學(xué)目的非侵入性物理傳感的重要來(lái)源之一，其最基本的物理參數(shù)包括頻率和音量，兩者都可以自主控制。最早用于呼吸監(jiān)測(cè)的TENG 是2017 年報(bào)道的基于納米纖維的自供電摩擦電傳感器（SNTS），其使用靜電紡絲和絲網(wǎng)印刷制成，由兩層組成，聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維膜（NM）的拱形電紡層起摩擦材料的作用，而銀納米粒子的絲網(wǎng)印刷層（NPs）起電極的作用，如圖4 所示。在TENG的單電極模式下，PVDFNM 和AgNPS 在由呼吸引起的接觸分離中產(chǎn)生了可測(cè)量的電位差。SNTS 的透氣性很強(qiáng)，不受彎曲、扭曲和折疊的影響，是可以集成到口罩中的理想材料。當(dāng)作為面罩佩戴時(shí)，SNTS 能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)與不同BR 相對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓變化?；赥ENG 的可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備已被開(kāi)發(fā)用于對(duì)可指示疾病（如糖尿?。┑幕衔锏幕瘜W(xué)傳感、對(duì)呼吸模式和容量的物理傳感，以及將呼吸用作可再生能源的電源[18]。

圖4 基于納米纖維的自供電摩擦電傳感器SNTS[18]

針對(duì)失去運(yùn)動(dòng)能力的群體，如在重癥監(jiān)護(hù)室的患者，通過(guò)監(jiān)測(cè)呼吸可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言表達(dá)的能力。ZHU等[19]設(shè)計(jì)出一種通過(guò)3D 打印方法制造呼吸驅(qū)動(dòng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），并用作人機(jī)交流式（HMI）傳感器，通過(guò)人類(lèi)呼吸進(jìn)行表達(dá)，無(wú)需語(yǔ)音控制或手動(dòng)操作。戴口罩時(shí)，TENG 可以產(chǎn)生與呼吸氣流對(duì)應(yīng)的響應(yīng)電信號(hào)，能夠識(shí)別人類(lèi)不同強(qiáng)度和頻率的呼吸類(lèi)型。在呼吸識(shí)別能力的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入莫爾斯電碼作為通信協(xié)議，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種基于呼吸的語(yǔ)言表達(dá)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的語(yǔ)言表達(dá)裝置相比，該系統(tǒng)可以從人的呼吸行為中提取主觀信息并輸出相應(yīng)的語(yǔ)言文本，而不依賴(lài)于聲音或身體動(dòng)作。該研究首次通過(guò)3D 打印的TENG 將基于呼吸的語(yǔ)言表達(dá)方法引入人機(jī)界面技術(shù)領(lǐng)域，能夠識(shí)別具有不同強(qiáng)度和頻率的人類(lèi)呼吸類(lèi)型。

2.3 在檢測(cè)及治療重大疾病方面的研究

摩擦納米發(fā)電機(jī)可廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)傳感器中，用于監(jiān)測(cè)人體生理參數(shù)。例如，將TENG 放置于體溫計(jì)、血壓計(jì)等設(shè)備中，可以通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)等微小的能量產(chǎn)生電力，從而驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。TENG 還可以用于生物醫(yī)學(xué)植入物中，用于驅(qū)動(dòng)植入物的傳感器、藥物釋放器等。例如，在人工耳蝸等植入器件中加入TENG，可以將人體運(yùn)動(dòng)等微小的能量轉(zhuǎn)化為電力，為植入物提供能量，從而延長(zhǎng)植入器件的使用壽命。摩擦納米發(fā)電機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，未來(lái)將成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要研究方向之一。

3.2 被動(dòng)訓(xùn)練對(duì)嬰兒智力及運(yùn)動(dòng)發(fā)育的影響及機(jī)制 小兒神經(jīng)系統(tǒng)在胚胎時(shí)期就開(kāi)始發(fā)育了，對(duì)于新生兒出生時(shí)窒息時(shí)間及狀況，會(huì)造成不同程度的腦損傷，且目前為止沒(méi)有有效的藥物治療。本研究對(duì)出生窒息患兒的研究顯示，科學(xué)合理的被動(dòng)訓(xùn)練對(duì)0～6個(gè)月窒息患兒的智力發(fā)育及運(yùn)動(dòng)發(fā)育都是有利的。國(guó)外已有報(bào)道表明，早期干預(yù)包括科學(xué)的被動(dòng)訓(xùn)練可以改善因環(huán)境及生物因素所引起的兒童智力落后[6]。

2.3.1 用于監(jiān)測(cè)與診斷的可穿戴式醫(yī)療器件

TENG 可穿戴設(shè)備已經(jīng)成功地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，成為一種新型的監(jiān)測(cè)和診斷工具。TENG 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)，不僅方便患者的使用，還可以為醫(yī)生提供更全面和精確的數(shù)據(jù)信息，從而更好地指導(dǎo)診斷和治療。

目前，可穿戴式TENG 已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健行業(yè)。例如，YU 等[20]設(shè)計(jì)了一款基于TENG 的可穿戴醫(yī)療設(shè)備，可用于24 小時(shí)監(jiān)測(cè)哮喘患者的呼吸信號(hào)，提供對(duì)哮喘的預(yù)防及應(yīng)急功能，可降低哮喘病所導(dǎo)致的死亡率。該設(shè)備將呼吸產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為持續(xù)且穩(wěn)定的電能，并通過(guò)透皮系統(tǒng)（transdermal system）輸送預(yù)防藥物。當(dāng)患者強(qiáng)烈且快速地呼吸時(shí)，此裝置將自動(dòng)切換到脈沖模式，從而對(duì)急性哮喘發(fā)作進(jìn)行高靈敏度和高分辨率的緊急警報(bào)。

DONG 等[21]發(fā)明了一種全紗線自充電針織動(dòng)力紡織品，這是一種將TENG 和超級(jí)電容器（SC）結(jié)合編織于紡織物中的新型可穿戴器件，其不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物力學(xué)能量的收集和存儲(chǔ)，而且還具有高彈性、柔韌性和伸縮性，可以適應(yīng)復(fù)雜的機(jī)械變形。該針織設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自供能，最大瞬時(shí)功率密度大約為85 mW/m2，能夠至少點(diǎn)亮124 個(gè)發(fā)光二極管，同時(shí)其具有質(zhì)量輕、柔性高、機(jī)械性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，為可穿戴設(shè)備研制提供了新的思路。

與傳統(tǒng)治療相比，TENG 具有更加長(zhǎng)效、精確和安全的優(yōu)點(diǎn)。TENG 的電極材料可以使用生物相容性材料，可以滿足可穿戴設(shè)備對(duì)貼合性和生物相容性的需求，從而更好地適應(yīng)人體的生理特征[22]。全紗線動(dòng)力紡織品可以為治療肌肉萎縮、皮膚創(chuàng)傷等身體問(wèn)題提供一種新的、高效的治療方法，同時(shí)不會(huì)損害鄰近的健康細(xì)胞和組織，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

2.3.2 植入式醫(yī)療器件

植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)（I-TENG）是一種新型的治療重大疾病的方法，即利用其產(chǎn)生的微弱電能達(dá)到治療的目的。在研究中，科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了I-TENG 的可行性，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，使其能夠更好地適應(yīng)心臟疾病的治療需求。此外，研究人員還對(duì)I-TENG 的材料、結(jié)構(gòu)和工作原理等方面進(jìn)行了深入研究，為其進(jìn)一步應(yīng)用和推廣提供了重要的理論基礎(chǔ)。

圖5 由生理運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的植入柔性TENG 示意圖[23]

ZHENG 等[24]將一頭成年豬作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行植入自供能實(shí)時(shí)心臟監(jiān)測(cè)TENG 的手術(shù)，該TENG采用垂直-分離模式的工作結(jié)構(gòu)，將納米結(jié)構(gòu)PTFE作為摩擦電層以提高輸出信號(hào)，鋁箔作為第二摩擦電層和第一電極；將Kapton 膜作為柔性基底固定在PTFE 層上，薄金層放置在Kapton 膜的背面作為第二電極；采用PTFE 作為外部封裝層來(lái)保護(hù)TENG器件免受腐蝕，使用柔性PDMS 作為外殼部分來(lái)封裝覆蓋整個(gè)器件以防止核心部分的泄漏，同時(shí)也使得器件在生物環(huán)境內(nèi)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并提高了生物相容性。在植入裝置后，對(duì)其進(jìn)行了體內(nèi)測(cè)試，心臟正常的收縮和舒張使TENG 的摩擦電層與心臟同步工作從而產(chǎn)生電能，測(cè)得電壓維持在14 V，短路電流為5 μA，證明該設(shè)計(jì)具有良好的輸出性能。

周?chē)窠?jīng)損傷會(huì)導(dǎo)致永久性殘疾，常規(guī)的治療性電刺激可實(shí)現(xiàn)末神經(jīng)的再生，卻不能完成神經(jīng)修復(fù)。ZHOU 等[25]設(shè)計(jì)了一種植入式自調(diào)節(jié)神經(jīng)電刺激（ISR-NES）系統(tǒng)，可以有效地促進(jìn)坐骨神經(jīng)再生及修復(fù)，該系統(tǒng)集成了由呼吸和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的接觸分離式摩擦電納米發(fā)電機(jī)（CS-TENG）和合適的坐骨神經(jīng)卡膚（Cuff）電極，選擇不同摩擦極性的負(fù)極材料PDMS 和正極材料聚酰胺6（PA6）薄膜，在PDMS 和PA6 薄膜的背面分別粘貼鋁箔作為導(dǎo)電層來(lái)最大限度地提高摩擦帶電效果。實(shí)驗(yàn)大鼠的呼吸和活動(dòng)產(chǎn)生的組織變形很小，常規(guī)的TENG 難以捕捉到這種生物信號(hào)，故使用間隔結(jié)構(gòu)來(lái)提高裝置的靈敏度，即兩種不同材料的介質(zhì)膜面對(duì)面堆疊，相互接觸時(shí)在兩個(gè)接觸面上分別形成正負(fù)電荷，分離時(shí)在中間形成氣隙，兩電極之間形成感應(yīng)電位差，使其能更好地捕捉大鼠運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能。

綜合來(lái)看，將TENG 用于可植入器件的研究為重大疾病的治療帶來(lái)了新的思路和方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，該領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)TENG 所使用材料的要求十分嚴(yán)格，因?yàn)樯婕霸谌梭w內(nèi)的應(yīng)用，必須具備生物相容性、耐腐蝕性、可持續(xù)性等特點(diǎn)。因此，進(jìn)一步探索及創(chuàng)新其材料組分是十分必要的。研究人員可以結(jié)合最新成果，探索新型的納米材料、生物可降解材料等，以滿足TENG 在人體重大疾病治療中的應(yīng)用需求。此外，也可以通過(guò)改進(jìn)材料制備工藝和優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)等方式，提高TENG 材料的性能和穩(wěn)定性，為其在臨床應(yīng)用中的推廣打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 纖維素基TENG 監(jiān)測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)

目前，制備功能性TENG 的主流材料為一些聚合物和金屬，雖然具有優(yōu)異的摩擦發(fā)電能力，但不易回收與降解，過(guò)量應(yīng)用這類(lèi)材料會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)及環(huán)境污染。因此，用于監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)的可生物降解摩擦納米發(fā)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

WANG 等[26]使用可生物降解的再生紙和水溶性石墨電極制造了水溶性TENG（WS-TENG）。首先，提取纖維素納米晶（CNC），進(jìn)一步與甲基纖維素（MC）混合形成CNC/MC 薄膜，將其作為正電極材料。然后，又以普通MC 薄膜作為負(fù)電極材料，制得了可用于繃帶傳感器的WS-TENG。低成本、質(zhì)量輕且可生物降解的WS-TENG 可輕易溶解于水中，其他不溶于水的部分可被重新利用。WS-TENG 的輸出電壓在0～2 V 區(qū)間變化，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)各種呼吸狀態(tài)。將這種水溶性傳感器用作實(shí)時(shí)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)傳感器，擴(kuò)大了TENG 在醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

FU 等[27]提出了一種基于呼吸驅(qū)動(dòng)TENG（R-TENG）的自供電空氣過(guò)濾器，可用于高效過(guò)濾亞微米顆粒和呼吸監(jiān)測(cè)。R-TENG 分別采用導(dǎo)電纖維素氣凝膠/MOF 復(fù)合膜和聚偏氟乙烯（PVDF）膜為正極和負(fù)極材料，采用了綠色合成方法。該空氣過(guò)濾器具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的發(fā)電特性，在持續(xù)低壓時(shí)，對(duì)PM1.0、PM0.5和PM0.3的去除效率仍然高達(dá)98.4%、97.3%和95.0%。此外，該系統(tǒng)無(wú)需使用外部電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)吸狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，便于實(shí)際應(yīng)用。該過(guò)濾器設(shè)備設(shè)計(jì)成具有PMS 過(guò)濾和呼吸監(jiān)測(cè)功能的口罩形式，在空氣凈化和醫(yī)療保健應(yīng)用中具有良好的潛力。

在高濕度環(huán)境下，普通TENG 器件的摩擦電極材料的工作性能會(huì)極大程度降低，這限制了TENG作為傳感器的工作環(huán)境。為了解決此問(wèn)題，ZHANG等[28]以天然纖維素為基板材料制備了親水性TENG電極材料，并將其用于高濕環(huán)境中的自供電傳感（圖6）。在基板制作過(guò)程中，纖維素與Ti3C2Tx共同構(gòu)建的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為水分子提供了豐富的吸附點(diǎn)。在廣泛的濕度范圍內(nèi)（相對(duì)濕度40%～90%），所得濕敏摩擦電材料可在150 s 內(nèi)保持優(yōu)異的性能與較高的靈敏度?；诶w維素基板的摩擦電極材料將電信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)接脩?hù)接口，從而實(shí)現(xiàn)了在高濕度環(huán)境中的自供電傳感。

圖6 親水性纖維素基TENG 電極[28]

除了能在高濕度下維持性能以外，纖維素基TENG 還能夠提供更高的舒適度和精確度。以纖維素納米纖維為主要材料的TENG 紡織品可以有效地提高可穿戴設(shè)備的舒適度，其以芯層導(dǎo)電纖維為電極，與緊密纏繞在芯層導(dǎo)電纖維周?chē)娜嗽炀酆衔锢w維或天然纖維材料組成核殼結(jié)構(gòu)[29]，所得的TENG 紡織品舒適，靈活且時(shí)尚，其生產(chǎn)過(guò)程可與工業(yè)規(guī)模的紡織品制造兼容。更重要的是，舒適的TENG 紡織品具有出色的耐洗性和可裁剪性，可以完全應(yīng)用于進(jìn)一步的服裝加工中。穿戴在手臂或腳下的TENG 紡織品也被證明可以監(jiān)測(cè)人體的各種信息。TENG 織物有用于服裝和在不久的將來(lái)用于可穿戴電子產(chǎn)品或智能紡織品的巨大潛力。基于針織物的TENG 還具有良好的透氣性和從各種人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能的適用性[30]。

目前，一項(xiàng)研究將碳納米管、聚吡咯與細(xì)菌纖維素（bacterial cellulose,BC）水凝膠混合通過(guò)濕拉伸和濕扭轉(zhuǎn)的方法制備出直徑為0.45 mm 的纖維素基可生物降解超強(qiáng)導(dǎo)電巨纖維，并成功地用于能量采集和生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的可穿戴織物設(shè)計(jì)。該纖維的抗拉強(qiáng)度為449 MPa，電導(dǎo)率為5.32 S/cm，在水中也同樣具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過(guò)降解實(shí)驗(yàn)可知，在纖維素酶溶液中的粗纖維可在108 h 內(nèi)降解。采用纖維素基導(dǎo)電巨纖維作為電極的TENG，最大開(kāi)路電壓為170 V，短路電流為0.8 μA，輸出功率為352 μW，可驅(qū)動(dòng)日常生活中的大部分電子產(chǎn)品[31]。此設(shè)計(jì)可以有效地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，由可生物降解的纖維素組成的織物TENG 在可穿戴電子、自供電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練等多個(gè)領(lǐng)域具有十分可觀的應(yīng)用前景。

此外，LIN 等[32]通過(guò)混合聚環(huán)氧乙烷(PEO) 與纖維素納米纖維來(lái)制備以PEO/纖維素復(fù)合紙（CCP）為電極的TENG，如圖7 所示，氨基和PEO 復(fù)合紙使得TENG 表現(xiàn)出更高的輸出性能?；赑EO/CCP的TENG，其電壓、電流和功率密度分別可高達(dá)222.1 V、4.3 μA 和217.3 mW/m2。此外，基于本設(shè)備的人體健康檢測(cè)設(shè)備可以監(jiān)測(cè)眼部肌肉、呼吸、心跳和脈搏等生理信號(hào)。來(lái)源廣泛的纖維素材料在TENG 器件的制備方面具有十分重要的作用，基于纖維素材料制備的TENG 在人類(lèi)健康保健方面具有廣闊的應(yīng)用潛能。

圖7 基于PEC/CCP 的TENG 工作原理圖[32]

目前，對(duì)纖維素基TENG 的實(shí)際應(yīng)用研究主要集中在LED 供電和自供電壓力傳感器等常見(jiàn)場(chǎng)景，還不足以體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。纖維素基TENG 具有獨(dú)特的生物相容性和生物降解性，研究人員可以進(jìn)一步嘗試將其應(yīng)用于臨床植入設(shè)備、體內(nèi)生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，TENG 器件在人體健康檢測(cè)領(lǐng)域的相關(guān)研究日漸成熟，已經(jīng)取得了很多成果，但是其性能仍然存在較大的進(jìn)步空間，有很多工作需要進(jìn)一步探索。為制造一種更加輕便、舒適且耐用度高的可穿戴摩擦納米發(fā)電機(jī)（W-TENG）設(shè)備需要考慮諸多問(wèn)題，例如該織物長(zhǎng)期佩戴是否有害、是否綠色環(huán)保?？苫厥?、可生物降解的纖維素材料完全滿足此方面的要求，可被用于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）和可穿戴自供電設(shè)備。TENG 可以方便地為電子設(shè)備供電，為制備具有良好生物降解性的全纖維素能量收集和交互裝置提供了一條有效途徑，這在環(huán)保電子、生物自適應(yīng)人機(jī)界面和智能仿生功能裝置研制方面具有重要意義。

盡管已經(jīng)基于纖維素材料開(kāi)發(fā)了一系列的摩擦納米發(fā)電機(jī)，但將柔性、耐用性、可折疊等多個(gè)特點(diǎn)同時(shí)集成于一個(gè)纖維素基摩擦納米發(fā)電機(jī)上仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)前，摩擦納米發(fā)電機(jī)在醫(yī)療保健行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，開(kāi)發(fā)多功能、綠色健康、生態(tài)友好的摩擦納米發(fā)電機(jī)迫在眉睫，以纖維素為主要材料的可穿戴式摩擦納米發(fā)電機(jī)將成為未來(lái)發(fā)展的主流。隨著纖維素基摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化，未來(lái)其在醫(yī)療行業(yè)和其他領(lǐng)域必將發(fā)揮出更重要的作用。