综述：基于摩擦电纤维的自供电传感编织虚拟现实/增强现实未来

《Wearable Electronics》：Weaving the Future of Virtual Reality/Augmented Reality with Triboelectric Fibers for Self-Powered Sensing

　　

虚拟现实/增强现实（VR/AR）可实现虚拟环境与真实世界的连接，极大丰富人类感官体验。然而传统刚性传感器存在舒适性与兼容性差的问题，显著制约实际应用体验。纤维及织物作为人体必需物品，可与人体共形集成且不干扰正常活动。其中，摩擦电纳米发电机纤维（TENG纤维）作为压力传感器，兼具优异柔性、透气性、舒适性及自供电特性，凭借独特优势正逐步在VR/AR领域展现应用潜力。本文系统综述TENG纤维的最新研究进展，总结其结构特征、制备方法、大规模集成策略及电学输出增强途径，重点阐述TENG纤维在VR/AR领域的应用方向，包括虚拟按键、运动与健康可视化、手势识别及虚拟角色控制等，同时指出TENG纤维研究面临的挑战与未来发展方向。

1. 引言

纤维是推动人类文明进步的关键材料，在人类生产与日常生活中发挥重要作用。其具有高长径比的独特结构，赋予优异柔韧性与可塑性，已广泛应用于医疗健康、能源、通信等领域。纤维材料历经从天然纤维、人造纤维到功能纤维的演变：早期人类利用动物纤维（丝、毛）与植物纤维（棉、麻）制作衣物以实现防护保暖；随后人造纤维技术快速发展，织物色彩与款式趋于多元，满足审美需求；当前随着技术进步，纤维被赋予自主响应、热调控、发光、能量收集与存储等功能。VR/AR作为新型人机交互技术，分别通过构建完全虚拟世界（VR）与叠加虚拟信息至真实世界（AR）突破时空限制，已广泛应用于日常生活多个场景。人类是VR/AR系统的核心，人机交互需采集人体信息以实现沉浸体验，但现有可穿戴传感设备多为刚性结构（如硬质电池、电路板），易引发不适、阻碍肢体活动，干扰虚实环境认知交互。TENG纤维具有自供电特性与人体高兼容性，可为VR/AR发展提供高效舒适的传感解决方案。纤维与织物作为人体必需品，具备轻质、舒适等优势，可在不干扰人体正常活动的前提下实现运行，已被用于感知人体运动、呼吸、心跳、脉搏等信号，在人机交互、健康监测及VR/AR领域展现出广阔应用前景。本文系统梳理TENG纤维最新研究进展，涵盖结构分类、规模化制备、大面积集成方法及电学输出增强策略，并总结其在VR/AR领域的典型应用，包括虚拟按键、运动与生理信息监测、手势识别及虚拟角色控制等方向。

2. 压力传感器的分类与比较

压力传感器按传感机制可分为压阻式、电容式、压电式与摩擦电式四类，不同机制的工作原理存在显著差异。压阻式压力传感器基于压阻效应，外部压力引起传感器电阻变化，将压力信号转换为电阻信号，具有结构简单、成本低、易微型化等优势，但响应恢复时间较长，电阻易受温度影响且长期稳定性较差。电容式压力传感器基于电容特性，将施加的压力转换为电容变化，具备高灵敏度、响应快、结构简单等特点，但易受环境影响，输出阻抗高且驱动能力弱。压电式压力传感器利用压电效应，受压时材料内部束缚电荷位移产生表面极化电荷与电势差，实现压力-电信号转换，具有自供电优势，仅适用于动态压力检测，无法用于静态测试。摩擦电纳米发电机（TENG）基于摩擦起电与静电感应效应，可将机械能转换为电能，具备材料选择范围广、灵敏度高、自供电、结构多样等优势，可高效收集低频不规则机械能（如风能、雨滴能、振动能、声能及人体运动能），并能感知心跳、呼吸、脉搏等微弱生理振动。与其他压力传感器相比，TENG基压力传感器无需外接电源，近年研究进展迅速。现有文献报道的TENG纤维涵盖单电极与双电极结构，采用镍、铜、银纱线、MXene/AgNPs、凝胶电极等多种电极材料，以及聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（Kapton）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等摩擦电材料，功率输出覆盖μW/m至mW/m²量级，在能量收集、压力传感、健康监测等领域展现出差异化应用优势。

3. TENG纤维的结构

TENG纤维主要分为单电极模式与双电极模式，其中双电极模式根据电极排布可进一步分为同轴结构与平行排列结构。单电极模式结构简单、制备便捷，适合大规模生产，多数TENG纤维采用该模式，可通过逐层涂覆法或编织法制备单电极同轴结构纤维：逐层涂覆法先在弹性氨纶纤维基底上沉积银纳米线，再浸渍碳纳米管填充银纳米线间隙以增强导电性，最后包覆PDMS形成外层；编织法则通过机器将多股聚乙烯纱线缠绕在导电银纱线表面形成核壳复合纱线。双电极模式虽结构复杂，但电学输出更高，可响应拉伸应变，受外界环境影响较小，甚至可在水下工作。同轴结构双电极TENG纤维由内部芯柱与外部保护管组成：芯柱通过将镀银尼龙纱线螺旋缠绕在硅橡胶纤维上制备，保护管通过在弹性硅橡胶管上缠绕镀银尼龙后涂覆硅橡胶层制得，但其设计复杂、制备工艺繁琐，难以实现规模化生产。平行排列结构双电极TENG纤维可良好响应拉伸应变，作为自供电应变传感器使用：通过多轴纤维缠绕机将聚四氟乙烯（PTFE）鞘层与尼龙鞘层的两种核壳纤维交替平行排布在可拉伸基底纤维上，拉伸时两电极分离，释放时恢复接触，实现应变传感。除常规结构外，研究人员还开发了新型结构：费马螺旋结构TENG纤维通过将聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）纳米纤维连续扭转至可拉伸导电纱线表面制备，具备超高耐磨性（超过5000次马丁代尔标准磨损循环）、稳定可逆应变（100%）及优异电学输出（105 V，1.2 μA）；三维编织可拉伸分层互锁花式纱线TENG纤维具有分层双翼结构，半圆形纱线在聚氨酯纱线本体两侧交织，其核壳结构中导电镀银聚酰胺（PA）纱线为核、绝缘纱线为壳，拉伸与释放过程中半圆形纱线与聚氨酯纱线本体发生接触-分离，产生摩擦电信号。

4. TENG纤维的大规模制备

TENG纤维的大规模制备是其从实验室走向实际应用的关键环节，现有制备方法包括纺丝、熔融挤出、3D打印、编织、热拉伸等。湿法纺丝可连续制备鞘-芯可拉伸纤维：鞘层为弹性氟弹性体，芯层为掺杂液态金属（LM）纳米颗粒的氟弹性体，LM颗粒在拉伸时发生共形变形，避免泄漏，纤维最大应变达~1170%，初始电导率达~4.35×10⁴S m^-1，适合大规模制造且机电性能优异。静电纺丝通过对称纺丝系统将聚合物溶液沉积在旋转漏斗收集器上的导电纤维表面，形成纳米纤维网包裹芯线，可制备直径可控、强度可调的核壳结构纤维。熔融挤出法通过微单螺杆挤出机将聚偏氟乙烯（PVDF）颗粒熔融挤出并包覆在钢丝表面，经不同线速度牵引获得不同直径的核壳纤维。3D打印采用同轴喷丝头，同步注入碳纳米管水溶液（芯层墨水）与石墨烯溶液（外层墨水），可定制化制备复杂结构纤维。绳编机通过将PVDF纱线缠绕在镀银尼龙纱线表面，连续制备核壳结构摩擦电编织纤维，可进一步通过机织、针织等工艺扩展为发电织物。热拉伸在高温条件下拉伸材料，可精确制备具有复杂截面结构的纤维，如由两种可拉伸导电纳米复合材料组成的纤维，其表面具有微结构且包覆防水弹性外层，可从可逆压缩与拉伸中可靠产生电能。浸涂法将弹性导电纱线穿过填充双组分硅橡胶预混物的管状刮刀，经加热室固化后卷绕收集，实现硅橡胶涂层TENG纤维的连续制备。上述方法各有优劣：湿法纺丝适合水溶性/聚合物溶液，纤维均匀且可规模化，但需溶剂回收；静电纺丝可制备纳米纤维，孔隙率高、比表面积大，但生产效率低、高压操作、难规模化；熔融纺丝速度快、无溶剂、成本低、工业兼容性强，但仅适用于热塑性材料；3D打印可定制复杂结构，但速度慢、层间结合问题突出、设备成本高；绳编机强度高、工业规模化、操作简单，但结构类型有限、难以制备微纳尺度纤维；热拉伸可精确控制直径、纤维均匀，但需高温、仅适用于热稳定材料；浸涂法简单、低成本、可在现有纤维上涂层，但涂层均匀性差、厚度控制难、力学性能较低。

5. TENG纤维的大规模集成

TENG纤维因独特的核壳结构与材料组成，尺寸与力学性能与传统纤维存在差异，需采用适配的集成方法，主要包括机织、针织与缝纫。机织与针织是两类主要机织方法：平纹机织中经纱与纬纱垂直交织，结构无弹性、操作简便；针织通过纱线成圈并相互串套形成结构，弹性优异、灵活性高。平纹机织可将PET芯层-铜壳层纤维与铜-PET-聚酰亚胺（PI-Cu-PET-PI）纤维分别作为经纱与纬纱交织；也可将铜-聚丙烯腈（Cu-PAN）纱线与聚二甲基硅氧烷-铜-聚丙烯腈（parylene-Cu-PAN）纱线通过平纹机织、斜纹机织与针织制备织物压力传感器，不同织造方式的性能存在差异。缝纫通过缝纫机将TENG纤维缝合在传统织物上，效率高且图案可定制，但对纤维直径与强度有特定要求：湿纺制备的直径仅0.18 mm的TENG纤维可通过缝纫机集成到传统织物上，图案可按需定制；静电纺丝制备的核壳结构TENG纤维直径可控、强度高，可通过缝纫机实现大规模高效集成。三维织物是具有横向（X）、纵向（Y）与厚度（Z）三个方向纤维系统的纺织结构，可为摩擦电层提供更大的运动空间，提升电学输出。一类三维织物由两层平行且在结点处交叉的纤维组成，采用导电银纱线为电极，尼龙66与PTFE为摩擦电材料，拉伸模式下峰值功率密度达1484 μW m^-2；另一类三维正交机织纺织TENG采用三种纤维制备，在3 Hz频率下最大峰值功率密度达263.36 mW m^-2，数倍于传统二维纺织TENG，可有效收集生物力学能并实现运动监测。

6. TENG纤维的电学输出增强

提升TENG纤维电学输出是持续的研究目标，更高输出意味着更多电能与更灵敏准确的传感能力，现有增强途径主要包括引入表面微结构与介电材料掺杂。表面微结构可通过直接压印热拉伸技术在数百米长纤维表面制备任意设计的图案，图案尺寸可小至数十纳米，技术稳定性高、产率高、兼容性好，可显著提升TENG性能；也可在纤维内部构建多孔硅橡胶与尼龙绒毛的微结构，压缩时尼龙绒毛与多孔硅橡胶紧密接触，增大有效接触面积，促进电子转移效率，较无结构纤维输出电压最大提升3.92倍。介电材料掺杂通过改性材料介电常数或提升电子转移效率增强输出：将聚阴离子改性壳聚糖（PCDs）掺入聚乙烯醇基质制备新型纳米复合聚合物电解质（NPE）纤维，PCDs可显著提升NPE纤维的摩擦电性能，基于该纤维制备的核壳纤维发电装置（NPE-TENG）最大峰值功率密度达265.8 mW m^-2；将石墨烯纳米片（GNP）与热拉伸PVDF纳米复合纤维复合，GNP掺杂与热拉伸可使PVDF的β相转变率提升13%以上，织物传感器功率密度达53.57 mW m^-2，开路电压与短路电流较原始PVDF纤维分别提升1.41倍与1.48倍。

7. TENG纤维在VR/AR中的应用

TENG纤维凭借优异柔性、可穿戴性与自供电特性，作为压力与应变传感器用于触觉感知、运动追踪、生理信息监测等，有望提供舒适的VR/AR体验。

7.1 可穿戴虚拟按键

TENG纤维可响应压力，集成于服装中作为虚拟按键实现无缝融合。多功能同轴TENG纤维作为自供电压力传感器，灵敏度达1.003 V·kPa^-1，可作为电子钢琴的触觉接口，手指触摸产生的摩擦电信号经微控制系统识别后触发嵌入式软件播放音符与音乐。同轴直接墨水3D打印策略可制备全柔性单电极TENG，打印的全柔性键盘可折叠卷曲，各按键独立，触摸时产生的电信号经多通道示波器检测，实现人机信息交互。本征可拉伸液态金属纤维（ISLMF）可将机械能与电磁能转换为电能，皮肤接触时产生电信号，经微控制器编程后可作为自供电人机接口，构建包含11根ISLMF的服装式智能手机键盘与无线音乐控制器，实现拨号、播放/暂停、切歌、音量调节等功能。刺绣结构摩擦电自供电电子织物可作为按键控制电子设备，如集成在Polo衫领口的摩擦电接口，通过轻按即可实现歌曲播放/暂停与音量调节，不同颜色与凸起图案的传感区域便于触觉区分。

7.2 运动与生理信息可视化

TENG纤维可将难以观测的动作与生理信息可视化，用于运动追踪与健康监测。虚拟高尔夫交互系统中，将手指弯曲传感器、足部压力传感器与手臂弯曲传感器分别集成于衣袖与袜底，食指弯曲、左脚微动、肘部弯曲对应的传感器输出峰值分别定义为握杆、姿态调整与击球指令，肘部弯曲角度不同时传感器信号幅值差异可用于控制虚拟高尔夫球手的击球力度。热拉伸法制备的TENG纤维可集成于足球表面，纤维形成的经纬线与球面坐标系完全匹配，经线（0°/360°、60°、120°、180°、240°、300°）与纬线（45°、90°、135°）的18个交点对应球面坐标点，冲击时对应坐标点被点亮，实现撞击点检测与识别。TENG纤维具备优异灵敏度，可监测心跳、呼吸、脉搏等生理信息：针织技术将TENG纤维编织为可拉伸织物，压力灵敏度达7.84 mV Pa^-1，可捕捉皮肤表面微小压力变化，集成于颈部、手腕、指尖与脚踝处可将脉搏波动转换为不同电压波形，构建个性化智能健康监测系统，用于心血管疾病与睡眠呼吸暂停综合征分析。TENG织物还可集成于床垫实现睡眠监测，基于TENG阵列的智能纺织系统可水洗后稳定输出压力信号，实时检测记录睡眠体位与行为，结合数据采集处理与无线传输系统评估睡眠质量与健康状况。

7.3 手势识别

手势识别是VR/AR系统的核心功能，TENG纤维的高灵敏度与可穿戴特性使其在该领域具备天然优势。双电极平行排列TENG纱线可设计为自供电智能手势识别手套，手指弯曲时实时电压输出呈规律性升降，且输出随弯曲角度增大而增加，实现不同手势识别。超疏水TENG纺织传感器分布于手套各手指，通过中指、无名指与小指弯曲产生的三种不同信号，实现Unity虚拟空间中射击游戏的抓枪、装弹与射击控制。可穿戴手势-语音翻译系统将TENG纤维采集的手部运动转换为特定电信号，经数字化处理后实现手语到语音的实时转换，系统具备优异力学与化学耐久性、高灵敏度、快响应时间与出色可扩展性，识别率达98.63%，识别时间小于1秒。核鞘结构TENG纤维可响应弯曲应变，在超低曲率0.1 mm^-1下仍可检测信号，通过微曲率检测技术，固定于前臂的微弯敏感纤维可检测不同手部动作对应的肌肉活动状态，有望应用于康复训练与手势识别。

7.4 游戏中虚拟角色控制

TENG纤维作为可穿戴传感器，可将人体运动信号转换为电信号，控制虚拟目标活动。湿纺制备的可拉伸核壳TENG纤维可集成于腕带，作为物联网人机交互接口，摩擦电信号经处理电路传输至微控制器单元，通过Wi-Fi发送至计算机，实现“吃豆人”游戏的无线操控。摩擦电智能袜子通过深度学习技术分析步态数据，识别准确率达93.54%，可作为VR健身游戏的控制接口，用户运动时袜子产生的摩擦电信号经机器学习模型处理，发送对应运动指令，实现跳跃、跑步、滑步、跳步与行走五种动作对虚拟角色的控制。基于TENG纤维的自供电跳舞毯系统中，志愿者踩踏方向模块时产生对应实时电信号，转换为移动方向操作，控制“吃豆人”位移，系统响应时间仅0.05秒，游戏界面显示延迟0.16秒。改性TENG织物性能提升近7.2倍，最大功率密度达2.6 W m^-2，集成于地毯形成自供电地毯，四个传感单元构成箭头，不同位置受压时对应通道产生不同电信号，可模拟赛车游戏中人体移动，评估足部位置、频率与力度。

8. 总结与展望

本文系统综述TENG纤维/织物的最新研究进展及其在VR/AR中的应用，对比了TENG与其他压力传感器的特性优势，阐述了TENG纤维的结构分类与特征，总结了大规模制备与集成方法，探讨了VR/AR领域的典型应用案例。TENG纤维凭借独特结构与可穿戴性，可实现人体广泛触觉与运动感知，包括虚拟人机交互接口、运动感知、生理体征监测、手势识别与虚拟角色控制等，有望为VR/AR系统带来显著变革。然而TENG纤维在VR/AR应用中仍面临挑战，可归纳为“三提升三降低”：提升佩戴舒适性（包括轻量化与细径化，采用碳基导电材料、多孔/超轻/气凝胶/聚合物泡沫材料降低质量，优化单电极结构制备工艺减小直径至传统纤维水平）、提升电学输出（通过表面微结构增大接触面积，介电掺杂平衡电学性能与其他特性）、拓展应用范围（推动实验演示向日常应用转化，提升传感稳定性与可靠性，加速工业化进程）；降低串扰（探索有效方法减少纤维间信号干扰，避免单纯降低排布密度导致的精度下降）、降低环境干扰（选用耐温湿材料或设计抗干扰结构，明确环境因素对电学输出的影响规律以提升传感准确性）、降低成本（选用低成本材料，开发可规模化制备方法，避免依赖液态金属、导电聚合物、银纳米线等高成本材料）。未来通过上述方向的突破，TENG纤维将在VR/AR领域实现更广泛的应用。