综述：可穿戴自供能系统：能量收集技术与健康调控中的应用

《Wearable Electronics》：Wearable self-powered systems: Energy harvesting technologies and applications in health regulation

　　

可穿戴系统（wearable systems）正朝着灵活性、智能化和连续运行的方向快速发展，其驱动力来自柔性电子、功能材料和智能纺织品的发展。传统外部供电的可穿戴设备依赖于电池或储能单元，这些设备在柔性、耐用性和长期稳定性方面仍然有限。相比之下，可穿戴自供能系统（self-powered systems, SPS）可以从人体运动、体表温度梯度和环境机械刺激中收集能量，从而为可穿戴健康调控应用提供可持续的供电策略。本综述将可穿戴系统分为被动式、外部供电式和自供能系统，并系统总结了近五年来在被动式可穿戴技术、柔性储能器件和可穿戴自供能系统方面的最新进展。特别关注了摩擦电（triboelectric nanogenerator, TENG）、压电（piezoelectric nanogenerator, PENG）、热电（thermoelectric generator, TEG）和电磁（electromagnetic generator, EMG）能量收集技术，重点阐述了它们的工作原理、基于纺织品的结构设计、输出性能和柔性集成特性。还讨论了在个人热管理（personal thermal management, PTM）和自供能热疗（self-powered thermotherapy, SPT）方面的最新应用。最后，强调了关键挑战，包括低频能量利用效率、长期稳定性、环境适应性和系统集成，以及多源能量收集、智能调控和长期健康管理的未来展望。

1. 引言
随着预防性医疗、连续健康监测和个性化医疗的快速发展，医疗系统正从传统的以疾病为中心的治疗向主动健康管理和早期干预转变。可穿戴技术作为支撑这一转变的重要平台，可实现临床和日常环境中生理信息的连续、无创和实时获取。过去依赖电池的供电方式限制了可穿戴系统的集成化、小型化和持续运行。因此，建立可持续、可靠且免维护的供电策略成为下一代可穿戴技术的关键挑战。可穿戴自供能系统通过收集环境或生理能量，减少了对传统电池的依赖，成为可持续供电的有前景途径。基于摩擦电、压电、热电、电磁和生物能量转换机制的自供能技术已被广泛研究，它们在能量源可用性、输出性能、机械顺应性和集成能力等方面表现出不同特性。尽管取得了显著进展，但实现完全自主和可靠的可穿戴自供能系统仍面临挑战，包括低频运动、动态变形、环境波动以及舒适性和耐久性的严格要求。本综述首先根据能量供应模式对可穿戴系统进行分类，包括被动系统和有源系统；然后系统讨论了主要自供能技术的基本原理、结构设计、输出特性和可穿戴集成策略；接着讨论了可穿戴自供能系统在健康调控中的应用，包括生理监测、电刺激、热管理、康复和智能健康管理；最后讨论了剩余的科学和工程挑战以及未来发展方向。

2. 可穿戴系统的分类
根据运行期间的供能需求，可穿戴系统可分为被动系统和有源系统。被动系统依赖于材料对外部刺激的响应，结构简单但信号处理能力和功能扩展性有限。有源系统需要稳定的电能输入，可实现更复杂的功能集成和高精度信号处理。根据能量来源，有源系统又可分为外部供电系统（依赖外部电源或内置电池）和自供能系统（通过收集人体和周围环境能量发电）。自供能系统根据能量转换机制进一步分为摩擦电、压电、热电、电磁和生物能量发电系统。

2.1 被动式可穿戴系统
基于材料固有传感响应的被动式可穿戴传感系统在压力、温度和变形等物理信号检测方面取得了显著进展。柔性传感器通常依赖压阻、电容和压电机制将外部刺激转换为电信号。这些系统通常使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex和石墨烯等柔性功能材料实现良好的生物相容性和机械匹配。然而，这些系统本质上依赖于被动传感机制，信号输出相对较弱，通常需要外部电源或数据采集系统，难以实现长期稳定运行。此外，大多数被动式可穿戴系统主要关注信号传感，缺乏能量供应、主动调节和多功能反馈的集成能力。

2.2 有源可穿戴系统
为克服被动系统在输出性能和稳定性方面的限制，引入供电单元成为重要发展方向。有源可穿戴系统根据能量来源分为外部供电系统和自供能系统。

2.2.1 外部供电可穿戴系统
外部供电系统通常依赖电池或外部电源作为稳定能量供应，是目前最成熟的供电方案。近年来，基于柔性储能器件的结构设计和织物集成，提出了各种高性能储能单元，包括纤维形状的储能器件、模板印刷的Ag₂O-Zn柔性电池、可拉伸的Zn-MnO₂电池、湿纺纤维形状锌离子电池、单层纺织品中的柔性水系锌离子电池、全固态MXene纺织品超级电容器和可拉伸纺织品超级电容器。尽管这些外部供电系统在功率输出、柔性和纺织集成方面取得了进展，但它们仍然从根本上依赖于预储能的电池或超级电容器，限制了长期连续运行和免维护的需求。例如，可拉伸Zn-MnO₂电池在100次循环后容量衰减约12%，纤维形状锌离子电池在400次循环后衰减约34%，纺织品锌离子电池在200次循环后保留不到40%的容量。此外，体积庞大的储能单元可能影响系统柔性、透气性和轻量化特性。

2.2.2 自供能可穿戴系统
自供能技术能够直接从人体运动、体温梯度、生化反应和环境振动中收集能量，通过集成能量收集单元与柔性传感器，可实现自供能运行并提高系统集成度和长期运行能力。目前主要包含摩擦电纳米发电机（TENG）、压电纳米发电机（PENG）、热电发电机（TEG）和电磁发电机（EMG）。

2.2.2.1 摩擦电纳米发电机（TENG）
TENG基于接触起电和静电感应的耦合，将人体运动、纺织变形和环境中的机械能转换为电能。根据摩擦层相对运动模式和电极连接配置，织物基TENG可分为四种典型的固-固工作模式：接触-分离模式、单电极模式、滑动模式和独立层模式。此外，固-液界面TENG（L-S TENG）也作为重要补充系统出现。接触-分离模式TENG是最经典的结构，基础原理是两种不同摩擦电极性材料在周期性接触和分离过程中电荷转移，产生外部电路电流。早期研究关注摩擦材料选择和表面电荷密度提升，如静电纺聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜与银纳米线电极结合实现全纤维TENG，以及热收缩聚苯乙烯与静电纺丝结合构建波纹状摩擦层。后续研究向纺织集成和多功能结构设计发展，如三维缝合双编织弹性TENG、双层微柱阵列PDMS薄膜、氧化石墨烯/导电聚合物复合材料、聚乙烯亚胺（PEI）处理棉织物、逐层自组装表面改性、原位生长沸石咪唑酯骨架结构（ZIF-8）等功能材料。单电极TENG通常仅使用一个摩擦电极，人体或环境作为参考电势，具有更简单的配置和更好的运动适应性，适用于可穿戴运动传感和人机交互。研究包括纳米复合聚合物电解质、与微控制器集成的TENG、接地耦合电极策略、羊毛/聚酯皮芯纱多层纺织TENG、二维WS₂电子染色织物等。滑动模式TENG通过两个摩擦材料之间的相对滑动实现连续电荷转移，适用于关节运动、纺织摩擦和连续机械运动。研究包括交替编织正负摩擦材料的滑动纺织结构、聚四氟乙烯（PTFE）涂层线编织织物、接触-滑动-分离耦合模式、全纺织嵌入式多模耦合TENG等。独立层TENG由可自由移动的摩擦层和空间分离的感应电极组成，通过非接触工作机制减少摩擦磨损，提高耐久性和稳定性。研究包括空气间隙嵌入结构、独立电极与固定细电极结合的FFI-TENG、接地耦合结构等。不同工作模式在可穿戴系统中表现出不同功能特性和应用优势，接触-分离结构适合周期性机械刺激下的高电压输出，单电极配置适合人体运动，滑动模式适合连续生物力学能量收集，独立层结构减少机械磨损并实现非接触传感。

2.2.2.2 压电纳米发电机（PENG）
PENG通过压电材料在外部机械应力下产生极化电荷，直接将机械能转换为电能。与摩擦电系统相比，PENG通常具有更快的电响应和更高的动态应变灵敏度，适用于生理信号监测和实时运动传感。早期研究关注柔性压电材料与纳米填料的复合改性，如定向静电纺PLLA/ZnO复合纤维、ZnO/PVDF复合薄膜、TbW@MoS₂异质结复合PENG。随后研究向纤维结构、纺织集成和增强器件架构发展，如CsPbI₂Br修饰PVDF压电纱线、基于1D/2D ZnO纳米结构的双层三明治结构PENG、逐层自组装纺织电极、TiO₂/P(VDF-TrFE)复合薄膜、ZnFe₂O₄/PDMS复合PENG、多层PVDF/BaTiO₃复合薄膜。织物基PENG在动态应变传感、快速电响应和自供能生理监测方面具有显著优势，但实际性能受限于人体低频运动与压电结构谐振频率不匹配的问题。结构优化策略包括悬臂梁几何调整、质量块加载和频率上转换机制，以及基于非线性或多谐振结构的宽带能量收集设计。

2.2.2.3 热电发电机（TEG）
TEG基于Seebeck效应，通过人体与环境之间的温差将热能直接转换为电能。由于人体持续释放热量，TEG在实现稳定连续供能方面具有优势，适用于可穿戴热管理和长期自供能电子设备。早期研究关注柔性热电结构设计和纺织器件开发，如柔性基底薄膜TEG的理论模型、无电镀铜沉积制备柔性导电纺织材料。随后研究转向热管理优化和器件可靠性增强，如被动辐射冷却涂层提高冷侧散热效率、负泊松比（NPR）结构提高机械耐久性、面向终端功率需求的设计框架、3D打印和滴涂法制备柔性PEDOT:PSS/Ga:ZnO TEG。织物基TEG在连续人体热收集和长期稳定供电方面具有独特优势，但实际应用仍受限于功率密度较低、小温差下利用效率不高以及柔性热电材料长期稳定性不足等问题。

2.2.2.4 电磁发电机（EMG）
可穿戴EMG基于电磁感应原理，通过磁体和线圈之间的相对运动将人体机械能转换为电能。与压电和摩擦电系统相比，EMG通常具有更高的输出电流和更好的储能系统兼容性，适用于连续供电和自供能可穿戴电子设备。早期研究关注柔性纺织集成和电磁结构优化，如整流和倍压充电电路、导电纤维集成形成柔性感应线圈、三维纺织集成EMG系统、柔性电磁超材料纺织结构。随后研究扩展到人体各种运动形式的电磁能量收集，如基于步行运动的电磁发电机纺织、前臂多方向EMG、双稳态可穿戴能量收集结构、利用胸部呼吸运动驱动磁体旋转的能量收集器。混合和宽带电磁能量收集策略也被探索，如混合摩擦电-电磁能量收集器、适用于超低频人体运动（0.01~0.5 Hz）的柔性电磁能量收集器。当前研究进一步向性能增强和智能集成系统发展，如基于纳米纤维皮芯纱的可穿戴能量收集纺织、多壁碳纳米管（MWCNT）/PDMS复合结构增强器件、集成人工智能（AI）运动识别系统的混合电磁-摩擦电能量收集器。

2.3 可穿戴能量收集技术的比较分析
TENG、PENG、TEG和EMG基于不同的能量转换机制，在相同输入条件下建立统一性能指标存在困难。功率密度是常用的归一化指标，但无法完全反映实际可穿戴性能，因为机械耐久性、能量间歇性、阻抗匹配和长期运行稳定性等因素未被考虑。四种技术中，TENG通常表现出高功率密度和最高输出电压，对不规则低频人体运动具有良好适应性；PENG提供中等功率密度和较高转换效率，但受谐振频率不匹配限制；TEG具有较低功率密度和转换效率，但能在持续热梯度下稳定发电；EMG通常提供高功率密度、高输出电流和高转换效率，但体积庞大且柔性有限。没有单一技术适用于所有可穿戴医疗应用，应根据具体需求选择。混合能量收集系统有望进一步提高整体输出性能和环境适应性。

3. 可穿戴自供能系统在健康调控中的应用
健康调控不同于健康监测，它通过外部物理、热或电刺激主动调节生理状态，而非被动获取生物信息。可穿戴自供能健康调控系统整合能量收集、传感和功能执行，实现实时干预和生理调节。这些系统通常集成柔性加热器、热电装置、导热纺织品、相变材料、自供能传感模块和治疗调节单元，实现局部加热、自适应温度调节、生理监测、康复辅助和治疗干预。

3.1 个人热舒适调节
个人热舒适调节旨在调节人体与外部环境之间的热交换，维持热平衡和穿着舒适性。柔性纺织基热管理系统具有重量轻、柔性好、透气性佳等优势。自供能技术与柔性热管理系统集成，实现了多种功能：超疏水防潮柔性TENG、双模式冷却/加热调节与摩擦电能量收集多功能器件、基于Kevlar纤维的自供能个人热管理装置、集成动态共价聚酰亚胺与液态金属电极的柔性热电装置、可穿戴热电纺织系统。当前热舒适调节系统主要分为三类技术路线：被动热管理（依赖辐射冷却、红外反射、隔热等）、主动热电调节（通过电能控制冷热）和混合自供能热调节系统（耦合摩擦电、热电、光热和纺织热管理机制）。纺织级集成成为重要发展方向，可实现更好的柔性、透气性、大面积可扩展性和与传统服装的兼容性。

3.2 自供能治疗应用与健康调控
自供能系统从人体运动、环境机械刺激和皮肤温差中连续收集能量，支持连续生理干预和闭环健康调控。这些系统整合生物电刺激、光热转换、药物释放调节和智能治疗反馈，实现改善血液循环、加速细胞代谢、促进组织再生和神经肌肉刺激等功能。当前应用领域包括个人热管理与热疗、伤口愈合与组织再生、康复与运动辅助以及神经调控与电刺激治疗。

3.2.1 个人热管理与热疗
热疗强调局部热干预用于生理调节和治疗目的，温和可控的热刺激可改善局部血液循环、加速细胞代谢、缓解肌肉僵硬和减轻疼痛。可穿戴热疗系统分为被动热调节、主动热刺激和自供能混合热疗平台。被动系统依赖隔热、红外辐射调节和热传递调制；主动系统通过电能输入实现可控加热，如可拉伸导电加热结构实现均匀热分布并增加局部血流灌注；自供能系统通过耦合生物力学能量收集、柔性加热模块和智能控制策略实现连续能量供应和自主热调节。近期研究向闭环调节发展，集成柔性传感器和热致动器，实现按需热疗，提高治疗精度和舒适度。

3.2.2 伤口愈合与组织再生
自供能系统将生物力学能量转换为电刺激，实现长期自主治疗干预。低强度电刺激可调节细胞迁移、血管生成、胶原沉积和组织再生。研究包括：无电池无缝合自收缩摩擦电伤口愈合贴片、自供能水凝胶纳米发电机系统整合PTEN抑制剂实现按需药物释放、自供能光热电子皮肤系统（基于PPy/F127水凝胶）结合电刺激与光热疗法、运动驱动的摩擦电贴片（基于PAAm-LiCl水凝胶）提供连续电刺激、基于MXene/明胶水凝胶的单电极摩擦电皮肤贴片兼具稳定电输出和光热转换性能。这些系统通过耦合电刺激、光热疗法、药物释放调节和生物活性材料，为智能伤口管理和组织再生提供了新途径，但长期生物相容性、输出稳定性和精确治疗控制仍需改进。

3.2.3 康复与运动辅助
自供能系统利用人体活动产生的机械能进行实时运动解码、步态分析和功能恢复评估。基于TENG的可穿戴系统可有效捕捉行走、关节运动和姿势转换中的生物力学信号，实现高分辨率步态分析和运动分类。研究包括：基于仿生液态金属的摩擦电传感器连续记录步态相变和肌肉协调模式、多摩擦电织物分布式传感网络提高运动识别精度和空间分辨率、单腰佩戴传感器结合深度学习实现精确步态检测、可穿戴摩擦电系统与物联网（IoT）和虚拟现实（VR）平台集成支持沉浸式人机交互、多模态自供能系统同时进行运动监测和生理信号采集、基于TENG的关节康复评估系统。当前系统已从单