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(yáng)能、機(jī)械能、微生物化學(xué)能等）的探索與開(kāi)發(fā)已成為各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)諸學(xué)者更是在人體機(jī)械能的應(yīng)用領(lǐng)域掀起了一股浪潮。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代的到來(lái)，促使人工智能和無(wú)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(duì)便利生活的向往和需求，智能化可穿戴電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。2012 年，王中林教授及其團(tuán)隊(duì)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(jī)（即Triboelectric Nanogenerator，以下簡(jiǎn)稱TENG），自此打開(kāi)了新型供能系統(tǒng)研究的大門(mén)［1］。2014 年，ZHONG J W 等首次報(bào)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(bào)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(shí)際應(yīng)用。TENG 的研究包羅萬(wàn)象，但由于基礎(chǔ)材料的種類和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較多，存在分類不清以及缺少對(duì)其發(fā)展體系全面系統(tǒng)的梳理介紹。對(duì)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(duì)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(wèn)題，并展望了其未來(lái)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(shí)，在接觸位置將形成化學(xué)鍵，電荷通過(guò)化學(xué)鍵在兩種不同材料之間轉(zhuǎn)移以平衡兩者的電勢(shì)；當(dāng)兩種材料分離后，兩材料對(duì)應(yīng)接觸面中的一個(gè)會(huì)存有多余的電荷，而另一個(gè)接觸面則會(huì)流失相應(yīng)的電荷，造成電勢(shì)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：?jiǎn)坞姌O式（最簡(jiǎn)單模式）、垂直接觸分離式（采取最廣泛的）、水平滑動(dòng)式以及自由運(yùn)動(dòng)式，應(yīng)用時(shí)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(gè)電極材料和一個(gè)摩擦材料組合作為T(mén)ENG 的元件，且與大地相連，另一個(gè)運(yùn)動(dòng)摩擦層則來(lái)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(dòng)式如圖1（b）所示，兩者僅在摩擦運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)式如圖1（d）所示，由一層摩擦薄膜材料與兩個(gè)彼此通過(guò)導(dǎo)線相連的導(dǎo)電電極材料構(gòu)成，兩個(gè)電極同時(shí)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(jī)械能收集能力。由于纖維或紗線具有斷裂強(qiáng)度高、拉伸性能好等特點(diǎn)，故紡織基TENG 大都具有較強(qiáng)抗機(jī)械變形能力、柔軟性、可洗性等優(yōu)異的服用性能。同時(shí)，相較于其他材料，紡織基TENG 更容易被設(shè)計(jì)進(jìn)衣物結(jié)構(gòu)中，并且對(duì)人體運(yùn)動(dòng)部位的貼合度更高，可以更敏感地捕捉到人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能，進(jìn)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(jì)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(guò)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(rùn)?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(duì)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(shí)了將機(jī)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(duì)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jiǎn)稱SS）纖維作為芯纖維，并將數(shù)根具有介電性的纖維通過(guò)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(jī)織或編織成織物，具有極強(qiáng)的靈活性，三種TENG 工作模式，單電極模式、接觸分離式、自由運(yùn)動(dòng)式都可以實(shí)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(lái)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(méi)有化學(xué)纖維造成皮膚不適的問(wèn)題；此TENG 利用機(jī)器高速旋轉(zhuǎn)纏繞外殼纖維的方式，使得該TENG 制備簡(jiǎn)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(shí)，相較于其他TENG，該TENG 具有優(yōu)異的可洗性，并可以通過(guò)裁剪和縫紉，靈活決定TENG 的用量。

2019 年，XIE L J 等設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)長(zhǎng)6 cm、直徑3 mm 的單根FST?TENG 在 2.5 Hz 的運(yùn)動(dòng)頻率下，可產(chǎn)生59.7 V 的開(kāi)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(jì)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(diǎn)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(bào)道了具有同軸芯鞘光纖結(jié)構(gòu)的可拉伸TENG［5］。該團(tuán)隊(duì)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(guò)煅燒，AgNW 間的相互黏性得到提高。同時(shí)，Ag?NW 的微觀結(jié)構(gòu)，增大了摩擦材料之間的實(shí)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(zhǎng)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(kāi)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(gè)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?qǐng)A柱體作為整個(gè)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(duì)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?chē)扛矊?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(gè)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(zhǎng)度6 cm 的CSTN 可以產(chǎn)生11 mA 的短路電流和380 V 的開(kāi)路電壓；同時(shí)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(hào)輸出，感知不同的彎曲角或扭轉(zhuǎn)角。這項(xiàng)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(yùn)動(dòng)相對(duì)靈活，內(nèi)芯與外殼在不斷的相互摩擦運(yùn)動(dòng)下能否保持其電輸出性能最有效時(shí)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(jiǎn)易，導(dǎo)致其基本結(jié)構(gòu)無(wú)法變動(dòng)，但要考慮到增強(qiáng)TENG 的電輸出性能，因此諸學(xué)者將TENG 的研究點(diǎn)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(jì)，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(shí)現(xiàn)TENG 的高電輸出性能，纖維基TENG 的結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，在此過(guò)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(shí)現(xiàn)此目的。

2017 年，HE X 等將硅橡膠用作可拉伸纖維芯，通過(guò)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T(mén)ENG 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(yùn)動(dòng)模式可通過(guò)拉伸運(yùn)動(dòng)輕松實(shí)現(xiàn)，在單根纖維狀TENG中，每個(gè)拉伸循環(huán)可產(chǎn)生最大開(kāi)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(jiǎn)稱 CCTENG）［9］。它既有螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(guò)施加外力，帶動(dòng)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(kāi)路電壓和18.9 μA 的電流。與利用有限運(yùn)動(dòng)方式的傳統(tǒng)TENG 不同，CCTENG 可通過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(jì)。

2.2 織物基TENG

基于纖維或織物的TENG 能夠收集人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各種刺激信號(hào)進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，其有效程度取決于摩擦材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。纖維基TENG 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)材料的選擇范圍較廣，亦可作多種不同的組合，但在制備過(guò)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(guò)對(duì)纖維或者紗線進(jìn)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(jī)織法和針織法，此類TENG 通常具有更優(yōu)異的電輸出性能。

機(jī)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T(mén)ENG 的電負(fù)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(zhǎng)絲、PT?FE 長(zhǎng)絲分別螺旋纏繞不銹鋼紗制成類似紗線結(jié)構(gòu)，機(jī)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T(mén)ENG 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(guò)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(guò)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(duì)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(fù)性摩擦材料，通過(guò)針織法得到上下對(duì)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(lái)，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(diǎn)，與TENG 所追求的輕質(zhì)柔軟、制造成本低廉、靈敏度高等特點(diǎn)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(lái)可持續(xù)發(fā)展的一大熱點(diǎn)課題。就當(dāng)前以靜電紡絲法制備TENG 的研究成果來(lái)看，所制備出的TENG 器件具有俘能性能強(qiáng)、穿著舒適性好的優(yōu)勢(shì)，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(wèn)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(guò)靜電紡絲法制備了一種具有三維二級(jí)心臟狀微納米纖維的TENG（以下簡(jiǎn)稱 HMN?TENG），將 PVDF 纖維基負(fù)摩擦層設(shè)計(jì)并自組裝成三維二級(jí)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(kuò)大有效接觸面積［16］。同年，WANG N等通過(guò)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(guò)咬合效應(yīng)擴(kuò)大了有效接觸面積，而且具有“上鎖保險(xiǎn)”功能。當(dāng)上下層結(jié)構(gòu)相互嵌入（正常工作）時(shí)，該TENG 輸出電壓達(dá)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(shí)，TENG 的輸出電壓及輸出電流遠(yuǎn)小于正常工作時(shí)輸出的電壓電流。故而，在開(kāi)路狀態(tài)下，如產(chǎn)生意外接觸情況，該TENG 可通過(guò)上下層結(jié)構(gòu)的垂直旋轉(zhuǎn)來(lái)減弱ESD（高電壓電荷在表面上的積聚對(duì)附近電路產(chǎn)生靜電放電的風(fēng)險(xiǎn)）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(jì)可以有效防止閑置的納米發(fā)電機(jī)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(kāi)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(duì)人體的影響，進(jìn)一步確保輸出的穩(wěn)定性，而頂部噴涂層可同時(shí)作為摩擦層和電極。與以往相比，這種新開(kāi)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(yàn)和可觀的電輸出，同時(shí)滿足簡(jiǎn)單、耐用和靈活的要求。

張志從織物基TENG 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)（以下簡(jiǎn)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(shí)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(duì)潮濕環(huán)境，收集多種形式的機(jī)械能，具有輕質(zhì)、制備簡(jiǎn)單、成本低、靈活等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)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(guò)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(gè)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(shí)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(diǎn)，從而具備了醫(yī)學(xué)治療等高科技領(lǐng)域所要求的精細(xì)、準(zhǔn)確的條件。在大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)逐漸普及的時(shí)代，醫(yī)療機(jī)構(gòu)可幫助患者穿戴能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體健康情況數(shù)據(jù)的智能化電子設(shè)備，以便進(jìn)行醫(yī)患連線、遠(yuǎn)程就醫(yī)、居家康復(fù)治療，或可為緩解人口眾多帶來(lái)的醫(yī)療資源緊張等問(wèn)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(cè)人體生理活動(dòng)

當(dāng)前我們測(cè)試心率、呼吸頻率、血壓等數(shù)據(jù)時(shí)，最普遍地會(huì)使用血壓計(jì)，但血壓計(jì)常存在著測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不穩(wěn)定以及測(cè)試舒適性低的問(wèn)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(gè)問(wèn)題。目前，一種可植入式TENG 的電輸出信號(hào)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(dòng)和心室過(guò)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(xiǎn)性相對(duì)較高的最直接測(cè)量心率的方法，還可以通過(guò)監(jiān)測(cè)脈搏來(lái)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(kāi)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(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)脈脈搏信號(hào)和呼吸信號(hào)。LOU M N 等也在研究中開(kāi)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(dòng)脈脈搏的生理信號(hào)。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(hào)中成功提取出呈現(xiàn)動(dòng)脈壓力波的典型人體脈沖［22］。

測(cè)試呼吸頻率的設(shè)備根據(jù)其獲取機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的不同運(yùn)動(dòng)方式可分為兩種。其一，由呼吸過(guò)程中的胸腔和腹腔的擴(kuò)張?收縮變化驅(qū)動(dòng)的TENG［23］。此種機(jī)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(cè)胸腔、腹腔的擴(kuò)張和收縮變化，從而監(jiān)測(cè)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(dòng)的TENG 來(lái)監(jiān)測(cè)人體呼吸，在此同時(shí)還可用于防塵口罩等［26］。

3.1.2 檢測(cè)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(diǎn)，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(cè)手指、手腕、肘部等關(guān)節(jié)不同角度的屈伸變化，檢測(cè)肢體彎曲和伸展［27］。指關(guān)節(jié)受傷患者可以將作為主動(dòng)傳感器的TENG 套在手指上以監(jiān)測(cè)手指關(guān)節(jié)的屈伸度、速度和方向，從而達(dá)到檢測(cè)傷勢(shì)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(lái)新的希望。例如，超仿真電子皮膚具有感覺(jué)和觸覺(jué)，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(lái)，這一方面可以使得殘疾人擁有更高級(jí)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(jī)器人身體部位，幫助患者做康復(fù)性活動(dòng)。此外，自供電摩擦電聽(tīng)覺(jué)傳感器可以安裝在耳朵上，用于社交機(jī)器人或作為助聽(tīng)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?yàn)槭褂谜咛峁┥畋憷蛟鎏砩顦?lè)趣，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體健康情況數(shù)據(jù)，從而保證運(yùn)動(dòng)在安全、適度的情況下進(jìn)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(lái)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(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jiǎn)稱PNF?TENG）可對(duì)運(yùn)動(dòng)和健身訓(xùn)練中的人體運(yùn)動(dòng)提供實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以輔助獲得更好的活動(dòng)效果。其主要被設(shè)計(jì)為兩款產(chǎn)品，一種是基于PNF?TENG 的智能運(yùn)動(dòng)肘部支架，用于檢測(cè)抬舉啞鈴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中手臂的擺動(dòng)幅度，另一種是基于PNF?TENG 的智能抓地力球，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的抓地力。

除了用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)稱TAF），只需將PTFE 和錦綸織物相互摩擦即可為T(mén)AF 充電；經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，在較高的相對(duì)濕度下，其對(duì)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(guò)可穿戴PNF?TENG 的驅(qū)動(dòng)得以連續(xù)運(yùn)行［31］。LIN Z M 等利用摩擦納米發(fā)電機(jī)原理研制了一種可水洗的智能床單，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)睡眠行為，并實(shí)現(xiàn)了自供電［32］。此外，ZHONG J W 等研發(fā)的“動(dòng)力襯衫”亦成功地觸發(fā)了自制的無(wú)線體溫監(jiān)測(cè)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?yàn)樯虡I(yè)LED 燈泡供電，又可以作為手機(jī)充電的電源；其二，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人類運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)老年人穿戴上該產(chǎn)品，可通過(guò)此功能時(shí)刻了解老人的安全狀況，防止其摔倒而救援不及時(shí)等問(wèn)題的發(fā)生［33］。此外，集成于眼鏡鏡框上的TENG 可通過(guò)眨眼觸發(fā)控制器，并將捕捉到的眨眼的微小動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)處理得到無(wú)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(lái)進(jìn)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(bào)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(yíng)、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(pán)等更多的產(chǎn)品將被研發(fā)并制造出來(lái)。

4 現(xiàn)存問(wèn)題及未來(lái)展望

電輸出性能低，且受環(huán)境影響較大。未來(lái)需將紡織材料性能與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，以此為突破口，設(shè)計(jì)與人體運(yùn)動(dòng)界面相匹配的TENG 結(jié)構(gòu)提高其輸出性能?；蚺c儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)能源采集與存儲(chǔ)一體化的紡織基能源器件，從而實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)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(shí)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(shì)以提高TENG 的穿著舒適性，且保證良好的機(jī)械性能是現(xiàn)階段需要解決的問(wèn)題之一。

制造成本高。試驗(yàn)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(chǎng)的前提。

環(huán)保、安全等問(wèn)題。隨著人們生態(tài)環(huán)保意識(shí)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(guò)改變TENG 的放置結(jié)構(gòu)來(lái)解除靜電放電風(fēng)險(xiǎn)，確保人體安全。此外，對(duì)其環(huán)保性、安全性及生物相容性能的評(píng)價(jià)也將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

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(lái)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(xì)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(duì)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(shí)到TENG 所擁有的極大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，在未?lái)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>