可穿戴能源系统：多通道能量采集、柔性储能与人工智能（AI）辅助系统集成

《Interdisciplinary Materials》：Energy System for Wearables

　　

可穿戴能源系统（wearable energy systems, WES）在保障智能服装、健康监测设备与人机交互（human–machine interaction, HMI）界面持续、稳定运行方面具有关键作用。该类系统的效率影响器件的小型化、轻量化、佩戴舒适性与自供能能力。随着可穿戴电子从单通道信号采集向连续生理监测、多通道传感与智能反馈演进，提升能源系统的安全性、续航能力与柔性集成水平，对于提高可穿戴电子的自主性与智能化至关重要。本综述对可穿戴能源系统的研究进展进行总体梳理，涵盖能量需求分析、多通道能量采集（multi-channel energy harvesting, MCEH）、柔性储能（flexible energy storage, FES）与系统集成（system integration, SI）。首先，系统讨论围绕可穿戴能源系统能量需求与应用的技术挑战；随后，全面综述人体-环境能量采集技术与柔性储能技术；接着，回顾自供电多功能可穿戴系统（self-powered multifunctional wearable systems, SMWS）的实现路径，从分离模块化结构到单片集成（monolithic integration）结构；最后，讨论多源混合能量采集（multi-source hybrid energy harvesting, MSHEH）与智能能量管理（intelligent energy management, IEM），以突出这些过程对可穿戴能源系统的影响。本综述最终讨论人工智能（artificial intelligence, AI）辅助的协同多模态、能量集成系统的应用潜力与优势。

1 Introduction（引言）
文章指出，柔性电子、生物传感、无线通信与人工智能（artificial intelligence, AI）推动可穿戴系统由消费配件发展为运动监测、人机交互、个性化医疗与工业安全平台。其目标正由数据采集转向连续生理监测、疾病早期发现与治疗反馈。尽管可拉伸导体、共形基底、边缘计算与机器学习提升了舒适性和信号处理能力，但传感、通信与计算模块集成导致功耗升高，传统刚性锂离子电池（lithium-ion battery, LIB）和有线充电难以满足柔性、安全与自主供能需求。文章强调，可穿戴供能问题不仅是电池性能问题，还涉及动态能量需求与常规电源系统之间的不匹配，因此需要将能量采集、存储与调控协同集成，并指出AI应用对持续可靠供能提出更高要求。

2 Wearable Energy Demand and Key Challenges（可穿戴能量需求与关键挑战）
文章认为，可穿戴器件能量限制涉及信号采集、数据处理、传感与电源管理整体系统。随着应用由运动检测扩展至长期健康观测、智能通信与医疗辅助，能量系统需在真实在体条件下维持采集、存储、调控与消耗的动态平衡。

2.1 Power Consumption Profile of Wearables（可穿戴器件功耗特征）
典型无线传感系统包括柔性传感单元、信号采集与预处理电路、微控制器（microcontroller unit, MCU）与存储模块、无线通信单元。传感单元通常并非主要耗能来源，柔性温度、触觉、电化学与生理传感器多处于纳瓦至数十微瓦范围；光学传感器特别是光电容积脉搏波（photoplethysmography, PPG）能耗较高，可通过脉冲工作和低占空比采样降低平均能耗。数据采集、信号处理与无线通信是主要耗能因素，无线通信因收发无线电波耗能最大。多生理信号同时监测可使总功耗升至毫瓦级，因此需从传感、采样、存储、计算与通信全过程进行能量管理，低占空比采样、事件驱动传输、边缘端数据压缩与低功耗无线协议可降低平均系统功耗。

2.2 Classification Framework of Power Supply Technologies（供电技术分类框架）
文章将可穿戴供电路线分为能量采集、能量存储与混合电源系统。能量采集包括机械能、热能、化学能、光伏与射频能量等；机械能采集利用压电纳米发电机（piezoelectric nanogenerator, PENG）、摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）与电磁发电机（electromagnetic generator, EMG）将低频生物机械能转化为电能；热能采集基于柔性热电器件利用人体与环境温差；化学能采集包括汗液驱动生物燃料电池（biofuel cell, BFC）与汗液激活电池；光伏采集利用柔性太阳能器件。能量存储主要采用柔性电池与超级电容器，LIB与锌离子电池（zinc-ion battery, ZIB）研究广泛，超级电容器具有高功率密度和快充优势。无线能量传输（wireless power transfer, WPT）作为补充路线需考虑效率、对准精度、组织安全与热效应。混合电源系统通过集成TENG、PENG、热电器件（thermoelectric generator, TEG）、光伏单元、BFC与电池或超级电容器，提高输出稳定性与可靠性。

2.3 Performance Evaluation（性能评价）
文章强调，可穿戴能源系统评价应综合电化学性能、机械性能、可穿戴性与生物安全性。储能器件需同时关注能量密度与功率密度，并考虑质量、体积、面积与线性指标，尤其对纤维状、纺织基与贴片式器件，面积、体积和线性能量密度更为关键。机械柔性、可拉伸性与舒适性要求器件在弯曲、扭转、拉伸、折叠和压缩下保持电输出与结构完整，至少经受1000次弯曲或拉伸循环，超过10000次可视为高运行稳定性。皮肤贴附系统需低模量与共形变形；纺织集成系统需透气、轻量、可洗并与纺织制造兼容，透气性可参照ISO 9237:1995，洗涤测试可参照ISO 6330:2021。循环耐久与运行稳定性需考虑汗液、温湿度与洗涤条件，热安全需满足IEC 62133-2:2017+A1:2021，生物相容性可参照ISO 10993-5:2009与ISO 10993-23:2021。

2.4 Key Challenges（关键挑战）
文章指出，尽管智能手表等电池供能可穿戴设备已商业化，但集成人体/环境能量采集、柔性存储与电源管理并连续运行的系统多仍处于实验室阶段。实验室常报道受控条件下的峰值电压、短路电流或瞬时功率，而实际器件需在个体化、不规则条件下输出稳定直流性能；整流、阻抗匹配、电压转换、储能与待机消耗进一步降低能量传输，且缺乏标准化评价。文章还指出，部分报道的能量密度可能排除基底、封装、互连与电源管理电路，导致高估实际性能。

2.4.1 Materials and Manufacturing（材料与制造）
材料与制造方面仍面临生物安全、佩戴便利、规模化生产与性能测试一致性等障碍。柔性电极、电解质、封装材料与导电互连需同时满足高电导、高离子通透、机械柔性、耐久与环境稳定。传统金属集流体和刚性封装可能增加重量并导致疲劳或界面失效，液体电解质存在泄漏风险。碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、纺织集流体、凝胶聚合物电解质与固态电解质提供了新材料基础，但成本、制备重现性、界面稳定性与规模化技术仍是障碍。

2.4.2 Technological Applications（技术应用）
自供电可穿戴器件的主要瓶颈是能量转换效率与输出功率较低。摩擦电、压电、热电、光伏与生物燃料技术可驱动低功耗电子设备，但人体运动和环境能量通常不规则、低频且随机，导致输出电压、电流与功率波动较大。柔性储能器件存在高能量密度与高机械柔性之间的矛盾，增加活性材料可提高能量密度，但可能增加厚度、降低柔性，并加剧弯曲循环中的分层与应力集中。

2.4.3 System Integration（系统集成）
系统集成的主要难点是实现各功能模块的电气兼容与联合优化。能量采集器产生不规则、脉冲或交流信号，而传感器、MCU与无线模块需要稳定直流电压；储能器件需平衡充电效率、放电速度与长期循环稳定性；电源管理电路需在整流、升降压转换与阻抗匹配中降低损耗，同时解决冷启动与过充问题。文章主张采集、存储、电源管理与传感通信模块应在统一系统能量预算框架下联合优化，并由器件堆叠转向共享结构与单片功能，利用纤维或纺织品同时承担支撑、导电、储能、传感与封装功能，结合低功耗电路与事件驱动算法降低数据处理和通信能耗。

3 Energy Harvesting Technologies From the Human Body and Its Environment（人体与环境能量采集技术）
文章指出，人体-环境能量采集将体动、体热、生物流体、光照、湿度波动与射频电磁场等分散、低密度、时变能源转化为电能，用于传感、通信与数据处理。

3.1 Mechanical Energy Harvesting（机械能采集）
3.1.1 Piezoelectric Nanogenerators（压电纳米发电机）
PENG基于压电效应，在机械变形下产生电极化与瞬态电流。常用材料包括ZnO、BaTiO₃（BTO）、PZT、PVDF及复合材料；无机压电陶瓷压电系数高但脆性、刚性与界面稳定性受限，聚合物如PVDF与P(VDF-TrFE)柔性好但β相含量、偶极取向与电荷传输不足。文章综述了负泊松比结构、PVDF/多巴胺拓扑纳米纤维膜、P(VDF-TrFE)/多壁碳纳米管纺织传感器、弯曲核液晶/ PVDF全有机分子工程、PVDF/纤维素纳米纤维-ZnO复合、连续单晶BTO薄膜、CNT/PVDF同轴纳米纤维口罩、生物质双网络基底与Sm:PMN-PT/云母异质结构等策略，用于提升β相、界面极化、应力传递、电荷收集与弯曲稳定性。

3.1.2 Triboelectric Nanogenerators and Electromagnetic Generators（摩擦纳米发电机与电磁发电机）
TENG通过接触起电与静电感应将接触、分离、滑动或压缩转化为周期电势差，适合低频不规则人体运动与弱机械刺激；EMG基于法拉第电磁感应，磁体与线圈相对运动产生电流，通常输出较大电流，适合步行、跑步等大幅稳定运动。文章综述了电荷激发TENG、ZnO纳米线/PVDF-nylon-11、MoS₂/PVDF-HFP、ZIF-8增强导电水凝胶、多组分水凝胶网络、仿生荷叶双面TPU/PVDF-HFP纳米纤维膜、非对称双电极半圆柱TENG、智能救生衣、接触-分离直流TENG无线体域网（wireless body area network, WBAN）、梯度纤维垫、步态分析系统与仿耳膜传感器等，显示TENG由机械能采集器发展为集成能量转换、主动传感、信号交互与智能识别的柔性电子平台。

3.2 Thermal/Body Heat Harvesting（热/体热采集）
柔性TEG基于塞贝克效应，利用皮肤与环境温差使载流子由热侧向冷侧迁移形成电势差。文章指出，体-环境温差小且受环境温度、活动状态与器件位置影响，需优化塞贝克系数、电导率、低热导率、柔性结构、热通路、低阻界面及与储能和电源管理电路集成。综述包括三维Ag₂Se弹性热电网络、自修复可回收可重构TEG、三维打印软结构耐损伤热电器件、模块化自修复柔性热电器件、TPU/CNT防水热电纺织、PAM/LiTFSI离子热电水凝胶纤维与多孔激光诱导石墨烯（laser-induced graphene, LIG）/PEDOT:PSS解耦多模态传感等。

3.3 Chemical Energy Harvesting（化学能采集）
BFC利用汗液、泪液或组织液中的葡萄糖、乳酸等代谢物，通过酶或微生物催化在阳极氧化释放电子与质子，电子经外电路至阴极形成电流；湿度发电机（moisture-enabled electricity generator, MEG）依赖吸湿材料与水分子作用产生离子解离、质子传输与湿度梯度驱动离子迁移。文章综述了纺织基汗液能量采集-存储系统、MOF衍生Au/Co共掺杂多孔碳微流控系统、贴片型微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）、超耐久空气驱动发电机、吸湿MEG、Janus贴片与水下MEG等，强调化学能采集需在运动、汗液、湿度与浸没条件下保持稳定。

3.4 Light Energy Harvesting（光能采集）
纤维状太阳能电池通过半导体光伏效应将太阳光或室内光转化为电能，材料体系包括有机光伏、钙钛矿、染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell, DSSC）、柔性硅薄膜与量子点。文章综述了仿松针维管束CNT纤维对电极、反射型杂化对电极、室内光伏纤维（indoor photovoltaic fiber, IPVF）、多色纤维DSSC及自充电纺织品，指出器件需兼顾薄、柔、可弯、透气、皮肤/纺织共形与长期稳定，并可耦合纤维电池形成自充电电源织物。

3.5 Radio Frequency and Wireless Power Transfer（射频与无线能量传输）
文章指出，可穿戴电子、电子皮肤、健康监测与植入器件需要柔性、薄、轻、贴肤的小型储能单元。微超级电容器（micro-supercapacitor, MSC）具有高功率密度、快充与长循环，但传统系统依赖有线充电。综述包括可无线充电的MSC皮肤、2.4–2.6 GHz Wi-Fi频段射频能量采集（radio-frequency energy harvesting, RFEH）贴片与超声驱动摩擦电接收器，用于皮肤贴附电子、远程健康监测与深部经皮充电。

3.6 Hybrid and Multi-Mode Energy Harvesting（混合与多模能量采集）
文章指出，可穿戴设备面对体动、温差、光照、湿度、汗液与无线信号等共存且波动的能源，单一模式常受低输出、环境依赖与供能不连续限制。综述包括软接触TENG与三相悬浮EMG混合纳米发电机、Fe₇₂Si₈B₂₀非晶合金协同增强TENG/EMG、ZnO@C/PVDF纳米纤维、TPEG-skin、CsPbBr₃/PVDF压电-光电复合器件与PVDF/HfO₂/nano-Cu异质纳米纤维膜等。文章强调，没有普遍最优的能量采集技术，适用性取决于能源、输出、佩戴条件与功耗，实际应用应优先考虑源可用性、调理后功率、机械兼容与系统集成。

4 Flexible Wearable Energy Storage Technologies（柔性可穿戴储能技术）
文章指出，纺织与柔性电池推动电化学储能由平面片材向柔性、可编织与系统集成电源发展。柔性电池能量密度较高但存在电极断裂、电解质渗出、副反应与封装难题；MSC功率密度高、循环快但能量密度与可扩展性有限；纤维器件可与纺织结合，但受负载能力、耐洗性、界面稳定性与连续制造制约。

4.1 Flexible Lithium-Ion Batteries（柔性锂离子电池）
文章综述了Li₄Ti₅O₁₂（LTO）在碳纤维布上原位形成“玉米棒与玉米粒”分级结构、V₂O₅空心多壳结构/金属纺织集流体、NCM811涂覆棉纱纤维正极、SEBS/CNT/炭黑/Ag可拉伸集流体、聚丙烯酰胺水包盐凝胶电解质、定向冷冻辅助3D打印厚电极与电流体动力制备多孔金属微网电极等，以提升电子/离子传输、弯曲稳定性、界面接触与面积容量。

4.2 Zinc-Based Batteries（锌基电池）
水系ZIB因安全性受关注，但受凝胶电解质脱水、机械界面不稳定、Zn枝晶与水致副反应限制。文章综述了双网络纤维素基凝胶电解质、PATT水凝胶Zn-I₂电池、胺功能化丝素碳纤维Zn阳极纤维锌空气电池、全3D打印锌离子混合电容器、OPV-ZIB超柔性能量采集-存储系统、卷对卷电化学合成Ni_0.7Co_0.3层状双氢氧化物柔性正极与无线电磁采集集成生物可吸收ZIB等。文章强调，纺织电池商业价值不能仅由弯折性或点亮LED能力评价，而需满足能量/功率密度、寿命、机械耐久、透气、生物安全、阻燃、环境稳定与连续制造等综合要求。

4.3 Supercapacitors（超级电容器）
超级电容器因高功率密度、秒级充电、长循环、柔性、可拉伸、安全与宽温域适用于可穿戴。文章综述了全汗液供能无电池电子皮肤、汗液可充电超级电容器、本征可拉伸MSC、Zr-NPC@PVDF复合纳米纤维储能-传感系统、PU/PPy与PAA/PAM离子凝胶及PU/MXene一体多孔电子皮肤、MnO/Fe₃C@graphene纤维超级电容器与3D织物基MSC等，显示超级电容器可支持快速充电、高功率输出、自供电传感与纺织平台集成。

5 Self-Charging Power Systems and System-Level Integration（自充电电源系统与系统级集成）
文章指出，可穿戴能量采集与传感系统正从分立模块转向高度集成单片架构，刚性外置电池与独立电源限制舒适性、贴体性与长期使用。纺织微能量单元、纤维超级电容器与柔性电池通过材料与结构调控提升采集、能量密度与循环稳定性；系统集成层面，纤维/纺织尺度采集-存储-供能单元可降低界面电阻与传输损耗；自供电传感由单一能量输出向压力、温度、应变、气体、声信号与材料属性多模态识别发展。

5.1 Integrated Harvesting-Storage Self-Charging Systems（集成采集-存储自充电系统）
文章综述了金属氧化物纳米纤维网络单片集成电子皮肤、3D PI-PVDF TENG、微流控多模态柔性贴片、TiO₂/WS₂异质结腕带式传感平台、MXene/MoS₂微电容-肖特基异质结构电磁吸收与自供电传感、rGO/MnO₂/Kevlar/TPU热阻纤维、光纤多参数传感、仿生离子皮肤、纤维基杂化能量器件与非接触可拉伸TENG等，强调三维微加工、微流控采样、异质结工程、仿生离子传导、等离子体表面工程与拓扑材料改善多模态信号解耦、抗干扰、环境稳定与纤维/纺织级采集-存储集成。

5.2 Textile-Integrated Energy Systems（纺织集成能源系统）
文章指出，纺织集成能源系统需保持柔软、透气、可洗与贴体，同时实现高效采集、稳定存储、低功耗多模态传感、无线通信与耐久运行。综述包括液态金属/铜纳米颗粒垂直导电通道单片集成纺织混合电子系统、p/n型有机半导体纤维摩擦光伏直流电源织物、Ni涂层聚酯纺织TENG与柔性LIB单片自充电系统、三维编织分层互锁花式纱TENG等，显示纺织能源系统可在服装层面实现原位采集、存储与自主供电。

5.3 Self-Powered Sensing Systems（自供电传感系统）
文章指出，自供电传感正由简单能量输出转向信息识别。综述包括基于压阻、热电与摩擦电效应的层级自供电触觉传感器，用于压力、温度与材料识别；木质素/ZnO静电纺纳米纤维膜用于气流与呼吸监测；TENG与RLC谐振器耦合的自供电无线应变分布系统；多层摩擦电声学纺织品用于心脏听诊、远程通信与语音人机交互；水凝胶氧/湿度双功能传感器；低温PEDOT:PSS/明胶水凝胶C-TENG；以及超高出力摩擦电-电磁混合发电机（ultra-high-output triboelectric-electromagnetic hybrid generator, UHO-TEHG）等。文章认为，多物理耦合、无线自供电平台、智能自适应水凝胶与混合能量采集可降低多模态传感串扰并提升极端条件下能量转换与自主无线传感网络能力。

6 Conclusion and Perspective（结论与展望）
文章总结，可穿戴能源系统正由依赖电池运行转向多源自主供电，关键在于有限空间、低质量和动态体动条件下实现采集、存储、调控、传感与无线传输协同。PENG向晶相调控、界面工程与纺织结构发展，TENG扩展为传感与智能交互平台，EMG以较高电流输出互补；TEG受小温差与热阻限制；化学能采集、光伏纺织与无线传输拓宽能源来源；柔性电池与超级电容器需兼顾能量密度、耐久与界面稳定。未来需解决高能量密度与机械柔性、多功能集成与佩戴舒适、可降解/生物相容材料、智能能量管理与AI辅助材料筛选等问题，并在统一能量预算框架下协同材料、器件、电路与算法，推动可穿戴能源系统向安全、智能、耐久、柔性与环境耐受的自持系统发展。