综述：自供电智能电子织物：综述

《Materials Today Energy》：Self-Powered Smart Electronic Textiles: A Comprehensive Review

　　

# 自供电智能电子纺织品：综述

## 摘要

智能电子纺织品（e-textiles）将固有的可穿戴性与主动电气响应能力相结合，在可穿戴健康监测方面具有显著优势。然而，其能源供给仍然严重依赖外部或半外部电源，这些电源在动态穿着条件下无法维持长期运行。能够收集环境微能的自供电智能电子纺织品正作为一种有前景的解决方案不断涌现。本综述系统地、批判性地概述了自供电智能电子纺织品近期的进展、挑战和前景。我们首先描述了多种自供电机制，包括压电、摩擦电、热电、光伏、湿敏和生物燃料电池收集，并重点介绍了提升能量输出性能的关键策略。随后，我们总结了自供电组件与纺织平台之间的集成方法，以及基于纺织品的自供电单元的结构设计策略，并对从一维到三维纺织品架构的制造技术进行了批判性评估。接着讨论了涵盖人体健康管理、环境监测和智能机器人等领域的代表性应用，重点关注其结构-性能关系。最后，我们识别了能源自主性、制造精度和操作耐久性方面存在的持续性瓶颈，并提出了合理的设计原则，以指导自供电智能电子纺织品的发展。

## 引言

智能可穿戴电子产品能够对与慢性疾病和传染病相关的物理、化学和电生理信号进行高精度检测，在健康监测、运动分析、智慧医疗和人机接口方面具有巨大潜力[1]-[5]。然而，大多数高性能电子元件依赖于笨重的刚性无机材料，这些材料与柔软生物组织的机械不匹配导致在变形条件下性能退化，从而阻碍了其在实际场景中与人体的皮肤进行符合性、长期集成[6]-[9]。相比之下，通过将电子功能无缝集成到传统纤维架构中而实现的智能电子纺织品，保留了纺织品的固有优势，包括轻量化、柔软、透气性和皮肤舒适性，同时能够实现生理和环境刺激的实时感知以及响应信号转导[10]-[12]。这些特性使电子纺织品能够作为可穿戴系统的技术平台加以应用[13]-[15]。尽管如此，在纺织形式中开发完全集成、机械顺应且可靠的供电架构仍然是一个重大挑战[16]、[17]。当前的电子纺织系统仍然主要依赖外部或部分外部电源模块，如刚性锂离子电池或纽扣电池，这些模块损害了纺织系统的薄度、灵活性和长期运行稳定性，从而限制了其可扩展性和实际部署[18]-[21]。

为了克服外部电池模块对灵活性、轻量化设计和长期运行可靠性构成的根本性制约，自供电技术正日益受到关注，以推动智能电子纺织品的发展（图1a）[22]-[25]。当前的自供电系统利用广泛的光谱能量收集机制，包括压电、摩擦电、热电、光伏和湿敏发电，以实现生物力学或环境能量的原位采集和高效转导[26]-[31]。这些器件采用本征柔性电活性材料的纤维化工艺（例如湿纺和电纺形成共轴或核壳结构）、薄膜制备工艺（例如喷涂、印刷或3D图案化）以及复合材料工程（例如掺入低体积分数无机纳米填料），以实现与低模量、可拉伸纺织基底的多尺度机械匹配和高变形兼容性[32]-[36]。尽管取得了这些进展，现有能量收集系统的能量转换效率仍然较低。为此，研究越来越多地聚焦于材料优化、结构工程和系统级设计[37]-[39]。早期工作主要侧重于通过表面改性、化学掺杂、偶极取向工程、孔隙率调控和界面设计来增强单个器件的性能[40]-[43]。这些进展使得更稳健的能量收集方案能够在多样化环境条件下运行，并支持自供电电子纺织品在实际应用中的可扩展性，其快速增长趋势反映在论文发表数量的增加上（图1b）。迄今为止，已有几篇综述系统地总结了自供电智能电子纺织品的进展。例如，Zeng等人[44]聚焦于纤维电子系统的构建，系统总结了器件设计和系统集成，但其综述并未对能量产生过程或自供电模块的性能改进策略进行机制性讨论。随后，Zhao等人[45]概述了机电转换纤维的工作原理，并突出了它们在自供电可穿戴传感方面的代表性应用，进一步总结了提升器件输出性能的几种关键策略。然而，他们对自供电技术的涵盖主要集中于摩擦纳米发电机（TENGs），缺乏对替代能量收集方法的系统分析。从理论角度而言，Tang等人[46]对可穿戴电子产品中的自供电技术进行了全面概述，强调了底层机制、材料类别及其在自供电传感器中的应用。然而，他们并未专门讨论将自供电单元集成到纺织品中的最新进展，也未对其与纺织品加工技术的兼容性或与织物架构的结构适应性进行分析。同样，Qi等人[47]从环境可收集微能源来源的角度综述了各种自供电技术，并突出了它们在健康监测和人机交互（HMI）中的应用；然而，他们的分析缺乏将性能提升与材料选择和结构设计策略相关联的系统框架。因此，现有的综述要么侧重于自供电机制和微能利用的原理，要么侧重AI驱动能量管理的理论框架，要么侧重纤维电子系统的设计和组装。这导致了对自供电智能电子纺织品的工作原理、优化策略、材料制造方法和实际潜力的全面理解存在空白。因此，一个全面且机制导向的综述对于弥合这一空白并推进自供电电子纺织品的发展至关重要。

鉴于上述考量，本综述总结了自供电智能电子纺织品的重要进展（图1c）[48]-[61]。我们首先建立了能量收集机制的系统分类，并阐述了在多种自供电模式下提升能量转换效率的关键优化策略。随后，我们探讨了纤维化途径和集成策略，这些策略使自供电单元能够集成到纺织架构中，并对每种构建方法的优缺点进行了系统评估。此外，我们重点介绍了自供电电子纺织品在健康监测、环境传感和智能机器人部署方面的代表性进展。通过原位利用环境微能，这些系统能够实现长期自主运行、实时环境感知和智能响应的深度集成，从而在满足日益互联和智能社会的不断增长需求方面展现出巨大潜力。最后，我们概述了前瞻性研究方向并识别了关键的技术瓶颈，提出了新兴设计原则和前瞻性技术路径，以指导自供电智能电子纺织品的发展。

## 自供电系统

自供电电子纺织品相较于传统电池集成系统具有独特优势。在传统电子纺织品中，能源供给通常依赖于嵌入的电池，这些电池固有的体积、质量和机械刚性损害了纺织基底的基本灵活性、垂坠性和长期穿着舒适性。周期性充电的必要性进一步与智能纺织品预期的"即穿即用"或"穿上忘记"范式相冲突，从而限制了它们的应用。

## 新兴功能材料

对于长期可穿戴和皮肤界面应用，目前可用的高性能无机功能材料和合成聚合物系统能够实现高效的能量转换，但其中一些仍然引发关于潜在生物安全风险、环境持久性和终末处置的担忧。例如，以PZT为代表的含铅压电材料可能带来铅相关的生物毒性和环境风险，而PVDF及其共聚物表现出高的化学稳定性……

## 健康监测

健康监测对于健康维护和疾病预防至关重要，能够实现生理状态的持续追踪、早期异常检测和临床决策数据支持。随着人口老龄化和慢性病发病率上升，对方便、实时、个性化的健康管理需求日益增长。传统医院诊断面临间隔长、成本高和缺乏持续监测等局限。相比之下，可穿戴健康……

## 挑战与未来展望

自供电智能电子纺织品面临的一个核心挑战是，在能量收集单元被集成到可变形、透气、可洗涤且可制造的纺织系统之后，如何维持有效的能量输送。仅凭峰值电压或功率密度并不能完整地衡量实际性能。转化需要协同控制活性材料组成和界面、能量收集-存储耦合、在纤维基底上的空间集成、数据驱动的……

## 结论

自供电智能电子纺织品需要在能量转换、功能材料、界面结构、纺织架构和器件集成等方面进行协同优化。目前研究表明，单个能量收集单元电输出的改进并不必然直接转化为纺织或系统层面的性能提升。机械变形、界面稳定性、结构构型和纺织品固有的传输特性……

## CRediT作者贡献声明

刘淑德：写作–审阅与编辑，资金获取，概念构思，方法论。
成赞俊：写作–审阅与编辑，资金获取，概念构思。
李兆玲：写作–审阅与编辑，软件。
马明：写作–审阅与编辑。
康玲：写作–审阅与编辑，概念构思。
王小强：写作–初稿撰写，调查研究。
丁斌：写作–审阅与编辑，概念构思，验证。

## 利益冲突声明

作者声明没有已知的、可能影响本论文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

## 声明性生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的使用

在本工作准备过程中，作者仅使用ChatGPT（OpenAI）进行英语语言润色和提升语言清晰度。使用此工具后，作者仔细审阅并编辑了文本（根据需要），并对出版物的内容承担全部责任。

## 致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：52302223, 52572210和52302251）、韩国国家研究基金（NRF）资助（由韩国政府MSIT提供）（RS-2024-00339770）以及韩国环境产业与技术院（KEITI）通过韩国环境部（MOE）资助的室内空气质量生物危害管理技术发展项目（ARQ202101038001）的支持。

王小强 | 康玲 | 马明 | 李兆玲 | 成赞俊 | 刘淑德 | 丁斌

教育部产业用纺织品工程技术研究中心，东华大学，纺织学院，上海 201620，中国