综述：用于主动健康应用的摩擦电材料最新进展

《Electronic Materials》：Recent Advances in Triboelectric Materials for Active Health Applications

　　

摩擦电材料能够将来自人体运动或环境来源的不规则机械刺激转化为高表面电荷密度和瞬时电输出。它们的固有特性，如柔韧性、可拉伸性、化学可调性以及与多种基材的兼容性，在决定摩擦电器件（triboelectric devices）的效率和可靠性方面起着关键作用。在主动健康（active health）的背景下，摩擦电材料不仅作为自供能传感（self-powered sensing）的核心功能层，还通过将生物力学信号直接转换为电信息，实现实时生理监测、运动追踪和人机交互（human–machine interaction）。软摩擦电传感器（soft triboelectric sensors）表现出高灵敏度、宽工作范围、优异的生物相容性和可穿戴性，使其在主动健康监测应用中极具前景。尽管有这些优势，但在提高表面电荷密度、实现有效信号复用以及确保长期稳定性方面仍存在挑战。本综述全面概述了摩擦电机制（triboelectric mechanisms）、工作模式、影响因素、性能增强策略以及可穿戴健康应用。最后，系统总结了用于主动健康（active health）的摩擦电材料的关键改进方法和未来发展方向，为推进可穿戴自供能生物传感器（wearable self-powered biosensors）提供了宝贵指导。

本文系统综述了摩擦电材料（triboelectric materials）在主动健康（active health）应用中的最新进展，涵盖其基础工作模式、机制、仿生增强策略、影响电荷密度和输出性能的因素，以及下一代器件的开发。在此基础上，研究人员强调了其在主动健康监测中的多样化应用，包括呼吸检测、运动追踪、全天候生理监测和全自供能能量收集（self-powered energy harvesting）。值得注意的是，摩擦电材料不仅表现出优异性能，还具有独特功能，如内在自修复能力，使受损器件能在室温下自发恢复结构完整性和电学性能，显著延长使用寿命并解决传统柔性传感器的脆弱性问题。此外，摩擦电单元与传感器、数据处理器和无线通信模块的集成，推动其从简单的机电转换器向智能全自供能系统演进，为未来在运动监测、临床诊断、康复和公共卫生防护中的可穿戴生物传感平台奠定基础。尽管取得这些成就，仍存在关键挑战：(i) 电荷产生与稳定性：实现高且稳定的表面电荷密度仍是器件性能的核心，但观察到的“马赛克”电荷分布挑战了均匀化模型，接触-分离过程中超快电荷生成动力学仍难以捕获，亟需预测模型和先进原位表征。(ii) 信号复用：平衡能量收集和传感引入不可避免的权衡，需要结构创新和材料工程优化多功能性而不牺牲精度。(iii) 应用适应性：人体运动和环境影响引入噪声并降低信号可靠性，需要鲁棒结构、自适应算法和弹性设计确保长期稳定性。(iv) 可穿戴性与生物相容性：日常使用需要改善舒适性、透气性和皮肤兼容性，应在未来设计中优先考虑。(v) 系统级集成：开发多模态监测平台需要传感、处理和通信模块的无缝集成，并辅以优化架构、低功耗和安全数据管理。稳定的无线连接、可靠的模块间数据同步以及与现有智能设备的兼容性对于实际可穿戴应用至关重要。尽管低功耗IC模块已在市场或现有可穿戴设备中可用，但需进一步优化以满足多功能能量收集和传感的高精度要求。医疗应用的最新进展进一步凸显了机遇与局限。生化监测平台（如汗液和代谢物传感器）表现出高灵敏度和自供能操作，但仍受限于复杂生物流体中的选择性和稳定性。姿态和步态监测系统在康复和老年护理中显示潜力，但在机械和环境扰动下的鲁棒性和准确性仍有挑战。全天候健康监测，包括基于纺织品的传感器和可穿戴电子皮肤，将TENGs（摩擦电纳米发电机）的应用范围扩展到多模态长期监测，但能量可持续性、数据管理和多模态集成问题依然存在。展望未来，解决应用特定差距需要定制方案：(i) 生化监测：分子工程识别层、微流控采样和内置校准标准可增强选择性和可重复性。(ii) 姿态和步态监测：仿生柔性架构、抗疲劳弹性体、密集传感器阵列和轻量级机器学习处理器可提高鲁棒性和分类精度。(iii) 全天候监测：混合能量收集、低功耗无线协议和边缘分析将有助于实现节能、多模态、上下文感知的健康评估。总之，摩擦电材料正迅速从能量收集器转变为多功能智能组件，支撑下一代可穿戴健康系统。其自供能传感、无缝集成潜力和适应性为个性化医疗、康复和精准医学开辟了巨大机遇。为充分实现这一潜力，未来工作必须聚焦于调控表面电荷、增强鲁棒性、改善长期可穿戴性、实现多模态数据融合以及实现可扩展制造。材料科学、器件工程、数据科学和系统集成等跨学科进步将是克服这些挑战的关键。随着持续进展，摩擦电技术有望在连接可持续能源解决方案与智能生物医学应用中发挥变革性作用。