用于柔性传感的凝胶基摩擦纳米发电机

 

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研究背景

随着物联网和人工智能的普及，柔性传感技术飞速发展。为满足实际应用，迫切需要寻求一种能实现可穿戴、便携且自供电的柔性传感器。摩擦纳米发电机（TENGs）作为一种新型的自供电传感装置，在柔性电子和可穿戴设备领域具有广阔的开发潜力和研究价值。与薄膜、纤维等常见的柔性材料相比，凝胶凭借三维动态网络的结构特点，具有优异的性能可调性，在高导电、机械强韧性、自愈合以及极端环境适应性的柔性材料的设计中彰显了独特的优势。在此背景下，深入探索凝胶材料在TENGs的研究对推动柔性传感领域的发展具有重要的科学意义。

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文章概述

近日，王双飞院士团队就近年来凝胶基TENGs在柔性传感领域的研究进展进行综述。详细介绍了凝胶基TENGs的基本原理、凝胶材料的性能优势；基于柔性传感的性能需求，对水凝胶、有机凝胶以及气凝胶基TENGs进行性能优化设计，分析对比了常用材料在不同凝胶基TENGs的性能差异；重点讨论了凝胶基TENGs在人体运动感知、健康检测、触觉感知、环境监测、人机交互等领域的应用进展，为柔性摩擦电传感器的开发提供了新的视角。该项成果以题为“Gel-Based Triboelectric Nanogenerators for Flexible Sensing: Principles, Properties, and Applications”发表在国际学术期刊《Nano-Micro Letters》上。鲁鹏副教授与2022级硕士研究生廖小芳为共同第一作者，聂双喜教授为通讯作者，郭小瑶、蔡晨晨、刘艳华、迟明超、杜国立、韦芷婷、蒙香江参与研究。

图1. 用于柔性传感的凝胶基TENGs

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图文导读

1.凝胶基TENGs的典型结构与工作机制

在凝胶基TENGs的结构组成上，三类凝胶材料均能作为电极和摩擦层。基于结构简单、皮肤适配和可自由移动的特点，单电极模式的凝胶基TENGs在柔性可穿戴传感器的开发中占据独特优势。水凝胶和有机凝胶通常封装在Ecoflex、PDMS等弹性体内，常作电极发挥作用。气凝胶则凭借高比面积、高孔隙率的结构特点，作为摩擦层时能储存和传递更多的带电物质，有效增强了表面电荷密度。因此，相比致密性的摩擦层材料，以气凝胶为摩擦层的TENGs在同等条件下具有更优异的输出性能。

图2. 凝胶基TENGs的典型结构与工作机制

2.用于柔性传感的凝胶基TENGs的性能优化

（1）水凝胶基TENGs

大部分的水凝胶电极本身导电能力有限，本征电导率在10−5–10−1 S cm-1之间，与金属电极相差甚远。为保障柔性摩擦电传感器的传感效果，增强水凝胶电极的导电性能意义非凡。主要介绍了引入导电填料、自由离子或导电聚合物等方式，以此优化水凝胶基TENGs的导电性能。

图3. 水凝胶基TENGs导电性能的优化

为实现皮肤适配性、传感稳定性以及器件耐用性，可穿戴传感设备对水凝胶材料的机械性能有着特殊需求，尤其是在大拉伸变形下的完整性。主要介绍了向凝胶基质中添加纳米填料或掺杂剂、能量耗散机制的构建，探讨了水凝胶基TENGs机械性能的优化策略。

图4. 水凝胶基TENGs机械性能的优化

此外，制备具有自修复行为的柔性传感器件是拓宽在极端恶劣环境应用的关键。主要讨论了通过引入动态化学/物理键的方式，实现提升水凝胶基TENGs的自修复功能，拓宽柔性传感器件的适用范围并延长使用寿命。

图5. 水凝胶基TENGs自修复性的优化

（2）有机凝胶基TENGs

较高机械韧性的材料能帮助柔性传感器更好地适应复杂环境变化，一定程度防止器件过早失效，提升稳定性和使用寿命。与双网络水凝胶的设计策略类似，高韧性有机凝胶基TENGs也主要是构建能量耗散机制。具体方法包括但不限于构建牺牲网络、微相分离、聚合物结晶和离子-偶极相互作用。

图6. 有机凝胶基TENGs机械韧性的优化

有机凝胶液相选择性多，极性有机溶剂、离子液体以及脂肪等都可以作为有机凝胶的液相。有机凝胶避免了水易高温蒸发、低温冻结对水凝胶基TENGs的工作温度范围的限制。通常情况下，引入甘油、乙二醇等二元溶剂进行溶剂置换，或利用离子-偶极相互作用等可实现对有机凝胶基TENGs温度耐受性的提升。

图7. 有机凝胶基TENGs温度耐受性的优化

（3）气凝胶基TENGs

介电常数是指材料在交变电场中极化的能力，在TENGs中反映了摩擦电材料产生和保留摩擦电荷的能力。为提升气凝胶基TENGs的摩擦输出性能，介电调控已被证明是非常有效的方式。主要介绍了孔隙率调控和填料掺杂等策略，实现气凝胶基TENGs的介电增强。

图8. 气凝胶基TENGs 的介电增强策略

环境温度变化会对柔性传感器的传感结果造成干扰。气凝胶是一种优异的隔热材料，其多级分形孔结构可以有效阻止空气对流，降低热辐射和热传导。优化隔热性能有助于提升气凝胶基TENGs的高温环境适应性，降低温度变化对传感效果的干扰。

图9. 气凝胶基TENGs隔热性能的优化

3.凝胶基TENGs在柔性传感的应用

（1）人体运动感知

对运动状态的感知与监测能帮助人们及时掌握运动状态，有助于实现个人的健康管理。凝胶基TENGs能将运动信号转换为电信号，实现对四肢、关节和肌肉等人体运动状态的实时监测。

图10. 用于人体运动感知的凝胶基TENGs

（2）触觉感知

在智能产业的兴起下，智能触屏电子产品的普及推动了人们对触觉交互界面的研究。触觉感知不仅能够帮助人体进行运动控制和技能训练，并且还能识别不明信号，实现及时预警保护人体安全。凝胶材料具有优异的柔韧性以及自修复功能，以凝胶材料组装的TENGs在触觉传感器的开发中优势突出。

图11. 用于触觉传感的凝胶基TENGs

（3）健康监测

健康监测对于预防疾病、管理健康、个性化诊疗和提高健康意识提供了切实可行且高效的方案。随着无线网络和传感技术的有效联合，以凝胶材料集成的柔性摩擦电传感器通过对呼吸、汗液、血压、心率等生理信号进行感知监测，可实时监测人体健康状态。

图12. 用于健康监测的凝胶基TENGs

（4）环境监测

人类活动的不断扩大和工业化进程的加速，让生态环境面临日益严重的威胁和挑战。加强环境监测对于保护生态平衡至关重要。凝胶基TENGs主要集中对环境温度、湿度、水质以及气体等进行监测。

图13. 用于环境监测的凝胶基TENGs

（5）人机交互

得益于无线传感器和物联网的联合发展，人机交互逐渐成为推动智能化时代发展的有力途径。基于凝胶材料的柔性摩擦电传感器在人机交互领域已取得长足的发展，主要体现在人机界面（HMI）、信息防护加密以及智能机械臂等方面的应用优势。

图14. 用于人机交互的凝胶基TENGs

（6）其他领域

集自供电、柔韧且环境友好型为一体的凝胶基摩擦电传感系统，经过合理的结构设计和材料性能优化，展现了在其他领域的发展潜力。例如，水凝胶和有机凝胶具有类人体组织细胞结构，能用于伤口愈合、植入式医疗。凝胶基TENGs还能通过监测驾驶员面部反应以及车速，来评估驾驶安全性，实现在智能交通领域的应用。

图15. 用于其他领域的凝胶基TENGs

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结论

凝胶基摩擦电柔性传感器的出现，推动了柔性传感领域向器件可穿戴、材料柔韧性以及设备自供电的方向发展。本文从原理、性能和应用的角度全面总结了凝胶基TENGs在柔性传感领域的最新进展。文章在末尾从材料、电输出性能以及应用三方面对凝胶基TENGs现存的挑战深入讨论，并对凝胶基TENGs的未来发展作出展望，以期推动凝胶基TENGs在柔性传感领域更加广泛且深入的发展。