摩擦纳米发电机用于人体健康监测的研究进展

刘文娜，张正健

（天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457）

在后疫情时代，国民身体长期处于亚健康状态的现象引起了人们的广泛关注。为了应对这种情况，摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator,TENG）在人体健康监测领域的应用得到了高速发展。利用TENG 可以将人体产生的分散式机械能转化为持续性电能[1]，为可穿戴设备提供持续供电，检测人体的生理参数和新陈代谢状况，从而实现对人体健康的全方位监测，在人体健康监测领域具有广阔的应用前景。

TENG 解决了传统可穿戴监测设备依赖电力供应的问题，从而解决了传感器需要连接电线或使用电池的限制。这种创新大大减少了可穿戴医疗设备的使用限制，避免了佩戴不便以及生理不适等问题[2]，同时还避免了频繁充电的困扰。TENG 可穿戴设备具有许多显著优势。首先，TENG 与生物相容性和可拉伸聚合物的集成提高了生物医学传感装置的定位能力。其次，TENG 的使用可以提高患者的舒适度和随后的患者使用依从性等，将TENG 运用到医学架构中，可以提供许多性能优异的生物医学传感解决方案。因此，TENG 已被定位为生物医学传感技术发展的主要候选者。此外，其还具有操作简单、易于小型化、自适应设计、灵敏度高等优点。TENG 技术可以应用于呼吸状态监测[3]、心血管疾病治疗[4]和人类康复方面监测[5]等，其载体包括起搏器[6]、神经刺激器和神经假体的可穿戴式纺织物或植入式器件，为医学的发展进步提供了技术支持。

将纤维素基TENG 编织成具有高舒适性、透气性的衣物[7]，实时监测人体状态，可用于持续性生物医学传感监测，以满足对慢性病等长期监控的需求。随着物联网技术的发展，柔性可穿戴电子技术具有广阔的应用前景，TENG 织物是未来柔性可穿戴电子设备领域的重要发展方向。本文对TENG 用于人体健康监测的研究现状及应用进行了综述。

1 摩擦纳米发电机的特点及作用机制

摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦起电和静电感应的耦合作用，从而实现环境中机械能到电能的转换，可以广泛用于对环境中振动能量的收集。经过十年的发展，尽管TENG 的形状结构千变万化，但其基本工作模式只有4 种，分别是：接触-分离式、水平滑动式、单电极式、独立式，并且四种模式均具有摩擦材料层和感应电极层（图1）。

图1 摩擦纳米发电机的四种模式[8]

对于接触-分离式TENG，两种摩擦材料以相对垂直的方式做接触分离运动，接触分离的过程使得整体电势不断变化，这种变化的电势驱使电子通过外电路在两感应电极间来回流动，从而产生电信号。对于滑动式TENG，两种摩擦材料相对水平滑动，这种滑动使得整体电势不断变化，电子通过外电路在两感应电极间来回流动，从而产生电信号。单电极式TENG 只有一个接地的感应电极，同时具有可移动的摩擦材料，这种工作模式的电势变化引起电子在地和感应电极间流动，从而产生电信号。独立式TENG 相较于单电极式，虽然也有一个可移动的摩擦材料，但是其感应电极则有两个，并且对称摆放。独立摩擦层运动引起的电势变化驱使电子在两对称电极之间流动，从而产生电信号[9]。

2 摩擦纳米发电机用于人体健康监测的研究现状

人体基本生理特征主要包括体温、血压、心率、耗氧量和血糖等。这些生理特征是人体生命活动的表现，能够直观地反映出人体内的变化，是人体健康必不可少的参照指标。能够方便、准确地采集人体信息，特别是患者的生理信息，将有助于及时发现、反馈和解决问题。人体健康监测包括对人体活动和新陈代谢等产生的各种生物电信号或非电信号及其他参数进行采集、量化、处理的过程[10]，其涉及传感、控制、生物医学、信号分析与处理等多项技术的交叉。这样的监测系统不仅适用于普通人和病人的日常病理监测，也适用于某些必须高度活跃且易发生危险的职业。摩擦纳米发电机能有效转化人体活动的机械能以驱动健康监测系统，近年来有不少学者在这方面进行研究，取得了较多成果。

2.1 在睡眠监测方面的应用

睡眠质量与人体健康息息相关，因此现在人们对于监测睡眠情况的需求也变得越来越迫切。基于这一需求，研究者致力于研发出一种既舒适且成本低的睡眠监测传感器，以便更好地了解人们的睡眠情况。KOU 等[11]基于柔性透气摩擦纳米发电机（FBTENG）传感器开发出一种具有压感、舒适的智能枕（图2（a）），可在睡眠期间实时监测头部状态。FBTENG 基于柔性和透气的多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氟化乙烯丙烯（FEP）粉末，通过调整多孔结构和FEP 粉末，进一步优化FB-TENG 的供电输出能力，实现了触摸感应和运动轨迹监测。该研究不仅为睡眠监测提供了一种可行的传感装置，还可以扩展到对某些疾病的实时监测，例如脑部疾病和颈椎病等。此外，DING 等[12]成功制备了碳纳米管掺杂的多孔PDMS 膜，并基于此建立了一种自供电TENG 触觉传感器（图2（b））。采用此碳纳米管掺杂的多孔TENG 设计的睡眠监测带可提供关于实时呼吸和心跳的准确信息。不过，该睡眠监测带需紧紧环绕人体心肺才能得到较精确的监测信息，易引起使用者在睡眠过程发生难以呼吸等不适现象。

图2 摩擦纳米发电机在睡眠监测方面的应用[11-12]

YUE 等[13]基于TENG 制作可穿戴式自供电电子仿生皮肤，通过监测呼吸频率和心跳信号频率来获取和分析睡眠状态，实时监测及评估使用者的睡眠信息，缺点是该电子仿生皮肤的制作过程相对复杂，且成品不透气导致使用者的舒适度较低。基于此，PENG 等[14]通过静电纺丝技术制作了全纳米纤维TENG 自供电电子仿生皮肤，不仅可以实现对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的判断与监测，还可以满足用户对舒适性的要求。

近年，基于TENG 传感阵列的智能枕填补了通过监测头部运动来实现睡眠监测的空白，此智能枕能够监测睡眠时的动作信息和预警掉床行为。这种智能枕便利舒适，无需佩戴任何设备，使人们可以保持最自然舒适的睡眠状态，是一种非侵入式的睡眠监测传感器。另外，李若男[2]设计了一种由聚四氟乙烯（PTFE）和Fe 组成的双通道TENG 自供电可穿戴传感器，其具有制造工序简单、适合批量生产、响应快速、防水稳定等突出优点，且佩戴方便，不受时间和地点的限制，可以佩戴在身上或衣服的任何地方。所开发的自供电可穿戴传感器能够进行跌倒事件、睡眠呼吸疾病和睡眠安全警报的实时监测，而无需外部电源供应，这对缓解能源短缺问题的意义重大。

2.2 在呼吸监测方面的应用

生理呼吸涉及吸气和呼气的呼吸循环，其中囊括了大量的生理相关信息及潜在疾病线索，目前尚未被充分利用。当前，已有多种传统医疗设备用于监测呼吸状态，并致力于开发创新的呼吸监测技术，尽管其具有很强的临床适用性和监测精度，但操作复杂和依赖外部电源等缺点制约了其作为智能移动医疗电子设备的进一步发展，并且不适合作为家用可穿戴设备在日常生活中进行实时呼吸监测。近年来，摩擦纳米发电机因其生物相容性好、佩戴舒适、成本低、对呼吸活动在低频和轻微振幅方面的灵敏度高等优点而被广泛用于自供电呼吸监测。基于TENG 的传感器可以精确、持续地监测生理呼吸行为和呼出物质的信息，以实现个性化的医疗保健。

2020 年，新冠病毒（COVID-19）席卷全球，带来重大人员伤亡和经济损失，因此产生了很多医疗预防技术方案。用于呼吸传感的摩擦纳米发电机（RSTENG）被设计为面罩，并赋予其呼吸监测功能。RSTENG 对呼吸流量的监测输出可分别达到8 V 和0.8 μA 左右，可随呼吸状态的不同而变化，证明了RS-TENG 对呼吸监测的高灵敏度。将智能面罩与电路模块相结合，可以构建呼吸暂停报警系统，在人停止呼吸后及时发出警报。RS-TENG 还可用于控制家电，为残疾人带来便利[15]。

呼吸监测是评估人体健康的有效方法，为呼吸系统疾病的预警和诊断提供有价值的信息。然而，传统的呼吸监测设备依赖于传统供电模式，限制了其用于户外探险、游牧、长跑等领域对呼吸的实时监测[16]。ZHANG 等[17]提出了一种基于侧滑式摩擦纳米发电机的可穿戴无线呼吸传感器，通过感知腹围的变化来监测呼吸频率，该装置不仅可用于对呼吸暂停症状的检测，还可用于呼吸的实时监测，其工作机理为当人呼吸时它能感知腹围的变化，并输出包含呼吸过程节律信息的电信号。TENG 传感器内置在可穿戴双层带中，详细结构如图3 所示，其分别采用厚度为100 μm 的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜和厚度为30 μm 的尼龙薄膜作为负极和正极摩擦材料，在摩擦层的外表面贴上两层厚度为50 μm 的铜箔作为导电电极，利用两个丙烯酸片作为支撑以保持介电材料平坦。通过理论分析，预测了其输出信号，并验证了TENG 作为呼吸传感器的可能性。

图3 可穿戴无线呼吸传感器[17]

呼吸是生物医学目的非侵入性物理传感的重要来源之一，其最基本的物理参数包括频率和音量，两者都可以自主控制。最早用于呼吸监测的TENG 是2017 年报道的基于纳米纤维的自供电摩擦电传感器（SNTS），其使用静电纺丝和丝网印刷制成，由两层组成，聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜（NM）的拱形电纺层起摩擦材料的作用，而银纳米粒子的丝网印刷层（NPs）起电极的作用，如图4 所示。在TENG的单电极模式下，PVDFNM 和AgNPS 在由呼吸引起的接触分离中产生了可测量的电位差。SNTS 的透气性很强，不受弯曲、扭曲和折叠的影响，是可以集成到口罩中的理想材料。当作为面罩佩戴时，SNTS 能够准确地检测与不同BR 相对应的开路电压变化。基于TENG 的可穿戴呼吸监测设备已被开发用于对可指示疾病（如糖尿病）的化合物的化学传感、对呼吸模式和容量的物理传感，以及将呼吸用作可再生能源的电源[18]。

图4 基于纳米纤维的自供电摩擦电传感器SNTS[18]

针对失去运动能力的群体，如在重症监护室的患者，通过监测呼吸可以实现语言表达的能力。ZHU等[19]设计出一种通过3D 打印方法制造呼吸驱动的摩擦纳米发电机（TENG），并用作人机交流式（HMI）传感器，通过人类呼吸进行表达，无需语音控制或手动操作。戴口罩时，TENG 可以产生与呼吸气流对应的响应电信号，能够识别人类不同强度和频率的呼吸类型。在呼吸识别能力的基础上，通过引入莫尔斯电码作为通信协议，进一步开发了一种基于呼吸的语言表达系统。与传统的语言表达装置相比，该系统可以从人的呼吸行为中提取主观信息并输出相应的语言文本，而不依赖于声音或身体动作。该研究首次通过3D 打印的TENG 将基于呼吸的语言表达方法引入人机界面技术领域，能够识别具有不同强度和频率的人类呼吸类型。

2.3 在检测及治疗重大疾病方面的研究

摩擦纳米发电机可广泛地应用于生物医学传感器中，用于监测人体生理参数。例如，将TENG 放置于体温计、血压计等设备中，可以通过人体运动等微小的能量产生电力，从而驱动设备工作，实现对生理参数的实时监测。TENG 还可以用于生物医学植入物中，用于驱动植入物的传感器、药物释放器等。例如，在人工耳蜗等植入器件中加入TENG，可以将人体运动等微小的能量转化为电力，为植入物提供能量，从而延长植入器件的使用寿命。摩擦纳米发电机在医疗领域中具有广泛的应用前景，未来将成为生物医学领域中的重要研究方向之一。

3.2 被动训练对婴儿智力及运动发育的影响及机制 小儿神经系统在胚胎时期就开始发育了，对于新生儿出生时窒息时间及状况，会造成不同程度的脑损伤，且目前为止没有有效的药物治疗。本研究对出生窒息患儿的研究显示，科学合理的被动训练对0～6个月窒息患儿的智力发育及运动发育都是有利的。国外已有报道表明，早期干预包括科学的被动训练可以改善因环境及生物因素所引起的儿童智力落后[6]。

2.3.1 用于监测与诊断的可穿戴式医疗器件

TENG 可穿戴设备已经成功地应用于医疗领域，成为一种新型的监测和诊断工具。TENG 技术可以实现实时、连续的监测，不仅方便患者的使用，还可以为医生提供更全面和精确的数据信息，从而更好地指导诊断和治疗。

目前，可穿戴式TENG 已广泛应用于医疗保健行业。例如，YU 等[20]设计了一款基于TENG 的可穿戴医疗设备，可用于24 小时监测哮喘患者的呼吸信号，提供对哮喘的预防及应急功能，可降低哮喘病所导致的死亡率。该设备将呼吸产生的机械能转换为持续且稳定的电能，并通过透皮系统（transdermal system）输送预防药物。当患者强烈且快速地呼吸时，此装置将自动切换到脉冲模式，从而对急性哮喘发作进行高灵敏度和高分辨率的紧急警报。

DONG 等[21]发明了一种全纱线自充电针织动力纺织品，这是一种将TENG 和超级电容器（SC）结合编织于纺织物中的新型可穿戴器件，其不仅可以实现对生物力学能量的收集和存储，而且还具有高弹性、柔韧性和伸缩性，可以适应复杂的机械变形。该针织设备能够实现自供能，最大瞬时功率密度大约为85 mW/m2，能够至少点亮124 个发光二极管，同时其具有质量轻、柔性高、机械性能稳定等优点，为可穿戴设备研制提供了新的思路。

与传统治疗相比，TENG 具有更加长效、精确和安全的优点。TENG 的电极材料可以使用生物相容性材料，可以满足可穿戴设备对贴合性和生物相容性的需求，从而更好地适应人体的生理特征[22]。全纱线动力纺织品可以为治疗肌肉萎缩、皮肤创伤等身体问题提供一种新的、高效的治疗方法，同时不会损害邻近的健康细胞和组织，具有重要的研究和应用价值。

2.3.2 植入式医疗器件

植入式摩擦纳米发电机（I-TENG）是一种新型的治疗重大疾病的方法，即利用其产生的微弱电能达到治疗的目的。在研究中，科研人员通过实验验证了I-TENG 的可行性，并对其进行了优化和改进，使其能够更好地适应心脏疾病的治疗需求。此外，研究人员还对I-TENG 的材料、结构和工作原理等方面进行了深入研究，为其进一步应用和推广提供了重要的理论基础。

图5 由生理运动驱动的植入柔性TENG 示意图[23]

ZHENG 等[24]将一头成年猪作为实验对象，进行植入自供能实时心脏监测TENG 的手术，该TENG采用垂直-分离模式的工作结构，将纳米结构PTFE作为摩擦电层以提高输出信号，铝箔作为第二摩擦电层和第一电极；将Kapton 膜作为柔性基底固定在PTFE 层上，薄金层放置在Kapton 膜的背面作为第二电极；采用PTFE 作为外部封装层来保护TENG器件免受腐蚀，使用柔性PDMS 作为外壳部分来封装覆盖整个器件以防止核心部分的泄漏，同时也使得器件在生物环境内维持结构稳定，并提高了生物相容性。在植入装置后，对其进行了体内测试，心脏正常的收缩和舒张使TENG 的摩擦电层与心脏同步工作从而产生电能，测得电压维持在14 V，短路电流为5 μA，证明该设计具有良好的输出性能。

周围神经损伤会导致永久性残疾，常规的治疗性电刺激可实现末神经的再生，却不能完成神经修复。ZHOU 等[25]设计了一种植入式自调节神经电刺激（ISR-NES）系统，可以有效地促进坐骨神经再生及修复，该系统集成了由呼吸和运动驱动的接触分离式摩擦电纳米发电机（CS-TENG）和合适的坐骨神经卡肤（Cuff）电极，选择不同摩擦极性的负极材料PDMS 和正极材料聚酰胺6（PA6）薄膜，在PDMS 和PA6 薄膜的背面分别粘贴铝箔作为导电层来最大限度地提高摩擦带电效果。实验大鼠的呼吸和活动产生的组织变形很小，常规的TENG 难以捕捉到这种生物信号，故使用间隔结构来提高装置的灵敏度，即两种不同材料的介质膜面对面堆叠，相互接触时在两个接触面上分别形成正负电荷，分离时在中间形成气隙，两电极之间形成感应电位差，使其能更好地捕捉大鼠运动产生的机械能。

综合来看，将TENG 用于可植入器件的研究为重大疾病的治疗带来了新的思路和方法，具有广阔的应用前景。但是，该领域的应用对TENG 所使用材料的要求十分严格，因为涉及在人体内的应用，必须具备生物相容性、耐腐蚀性、可持续性等特点。因此，进一步探索及创新其材料组分是十分必要的。研究人员可以结合最新成果，探索新型的纳米材料、生物可降解材料等，以满足TENG 在人体重大疾病治疗中的应用需求。此外，也可以通过改进材料制备工艺和优化材料结构等方式，提高TENG 材料的性能和稳定性，为其在临床应用中的推广打下更坚实的基础。

2.4 纤维素基TENG 监测设备的开发

目前，制备功能性TENG 的主流材料为一些聚合物和金属，虽然具有优异的摩擦发电能力，但不易回收与降解，过量应用这类材料会导致资源浪费及环境污染。因此，用于监测人体生理信号的可生物降解摩擦纳米发电机应运而生。

WANG 等[26]使用可生物降解的再生纸和水溶性石墨电极制造了水溶性TENG（WS-TENG）。首先，提取纤维素纳米晶（CNC），进一步与甲基纤维素（MC）混合形成CNC/MC 薄膜，将其作为正电极材料。然后，又以普通MC 薄膜作为负电极材料，制得了可用于绷带传感器的WS-TENG。低成本、质量轻且可生物降解的WS-TENG 可轻易溶解于水中，其他不溶于水的部分可被重新利用。WS-TENG 的输出电压在0～2 V 区间变化，可准确监测各种呼吸状态。将这种水溶性传感器用作实时生理信号监测传感器，扩大了TENG 在医疗监测领域的应用。

FU 等[27]提出了一种基于呼吸驱动TENG（R-TENG）的自供电空气过滤器，可用于高效过滤亚微米颗粒和呼吸监测。R-TENG 分别采用导电纤维素气凝胶/MOF 复合膜和聚偏氟乙烯（PVDF）膜为正极和负极材料，采用了绿色合成方法。该空气过滤器具有多孔网络结构和独特的发电特性，在持续低压时，对PM1.0、PM0.5和PM0.3的去除效率仍然高达98.4%、97.3%和95.0%。此外，该系统无需使用外部电源即可实现对吸状态的监测，便于实际应用。该过滤器设备设计成具有PMS 过滤和呼吸监测功能的口罩形式，在空气净化和医疗保健应用中具有良好的潜力。

在高湿度环境下，普通TENG 器件的摩擦电极材料的工作性能会极大程度降低，这限制了TENG作为传感器的工作环境。为了解决此问题，ZHANG等[28]以天然纤维素为基板材料制备了亲水性TENG电极材料，并将其用于高湿环境中的自供电传感（图6）。在基板制作过程中，纤维素与Ti3C2Tx共同构建的复杂网络结构，为水分子提供了丰富的吸附点。在广泛的湿度范围内（相对湿度40%～90%），所得湿敏摩擦电材料可在150 s 内保持优异的性能与较高的灵敏度。基于纤维素基板的摩擦电极材料将电信号无线传输到用户接口，从而实现了在高湿度环境中的自供电传感。

图6 亲水性纤维素基TENG 电极[28]

除了能在高湿度下维持性能以外，纤维素基TENG 还能够提供更高的舒适度和精确度。以纤维素纳米纤维为主要材料的TENG 纺织品可以有效地提高可穿戴设备的舒适度，其以芯层导电纤维为电极，与紧密缠绕在芯层导电纤维周围的人造聚合物纤维或天然纤维材料组成核壳结构[29]，所得的TENG 纺织品舒适，灵活且时尚，其生产过程可与工业规模的纺织品制造兼容。更重要的是，舒适的TENG 纺织品具有出色的耐洗性和可裁剪性，可以完全应用于进一步的服装加工中。穿戴在手臂或脚下的TENG 纺织品也被证明可以监测人体的各种信息。TENG 织物有用于服装和在不久的将来用于可穿戴电子产品或智能纺织品的巨大潜力。基于针织物的TENG 还具有良好的透气性和从各种人体运动产生电能的适用性[30]。

目前，一项研究将碳纳米管、聚吡咯与细菌纤维素（bacterial cellulose,BC）水凝胶混合通过湿拉伸和湿扭转的方法制备出直径为0.45 mm 的纤维素基可生物降解超强导电巨纤维，并成功地用于能量采集和生物力学运动监测的可穿戴织物设计。该纤维的抗拉强度为449 MPa，电导率为5.32 S/cm，在水中也同样具有良好的结构稳定性。通过降解实验可知，在纤维素酶溶液中的粗纤维可在108 h 内降解。采用纤维素基导电巨纤维作为电极的TENG，最大开路电压为170 V，短路电流为0.8 μA，输出功率为352 μW，可驱动日常生活中的大部分电子产品[31]。此设计可以有效地实现精准监测人体运动。同时，由可生物降解的纤维素组成的织物TENG 在可穿戴电子、自供电系统、运动员训练等多个领域具有十分可观的应用前景。

此外，LIN 等[32]通过混合聚环氧乙烷(PEO) 与纤维素纳米纤维来制备以PEO/纤维素复合纸（CCP）为电极的TENG，如图7 所示，氨基和PEO 复合纸使得TENG 表现出更高的输出性能。基于PEO/CCP的TENG，其电压、电流和功率密度分别可高达222.1 V、4.3 μA 和217.3 mW/m2。此外，基于本设备的人体健康检测设备可以监测眼部肌肉、呼吸、心跳和脉搏等生理信号。来源广泛的纤维素材料在TENG 器件的制备方面具有十分重要的作用，基于纤维素材料制备的TENG 在人类健康保健方面具有广阔的应用潜能。

图7 基于PEC/CCP 的TENG 工作原理图[32]

目前，对纤维素基TENG 的实际应用研究主要集中在LED 供电和自供电压力传感器等常见场景，还不足以体现其优势。纤维素基TENG 具有独特的生物相容性和生物降解性，研究人员可以进一步尝试将其应用于临床植入设备、体内生物医学监测等领域。

3 总结与展望

综上所述，TENG 器件在人体健康检测领域的相关研究日渐成熟，已经取得了很多成果，但是其性能仍然存在较大的进步空间，有很多工作需要进一步探索。为制造一种更加轻便、舒适且耐用度高的可穿戴摩擦纳米发电机（W-TENG）设备需要考虑诸多问题，例如该织物长期佩戴是否有害、是否绿色环保。可回收、可生物降解的纤维素材料完全满足此方面的要求，可被用于摩擦纳米发电机（TENG）和可穿戴自供电设备。TENG 可以方便地为电子设备供电，为制备具有良好生物降解性的全纤维素能量收集和交互装置提供了一条有效途径，这在环保电子、生物自适应人机界面和智能仿生功能装置研制方面具有重要意义。

尽管已经基于纤维素材料开发了一系列的摩擦纳米发电机，但将柔性、耐用性、可折叠等多个特点同时集成于一个纤维素基摩擦纳米发电机上仍是一个挑战。当前，摩擦纳米发电机在医疗保健行业中的应用日益广泛，开发多功能、绿色健康、生态友好的摩擦纳米发电机迫在眉睫，以纤维素为主要材料的可穿戴式摩擦纳米发电机将成为未来发展的主流。随着纤维素基摩擦纳米发电机结构等方面的优化，未来其在医疗行业和其他领域必将发挥出更重要的作用。