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研究背景

隨著物聯網和人工智能的普及，柔性傳感技術飛速發展。為滿足實際應用，迫切需要尋求一種能實現可穿戴、便攜且自供電的柔性傳感器。摩擦納米發電機（TENGs）作為一種新型的自供電傳感裝置，在柔性電子和可穿戴設備領域具有廣闊的開發潛力和研究價值。與薄膜、纖維等常見的柔性材料相比，凝膠憑借三維動態網絡的結構特點，具有優異的性能可調性，在高導電、機械強韌性、自愈合以及極端環境適應性的柔性材料的設計中彰顯了獨特的優勢。在此背景下，深入探索凝膠材料在TENGs的研究對推動柔性傳感領域的發展具有重要的科學意義。

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文章概述

近日，王雙飛院士團隊就近年來凝膠基TENGs在柔性傳感領域的研究進展進行綜述。詳細介紹了凝膠基TENGs的基本原理、凝膠材料的性能優勢；基于柔性傳感的性能需求，對水凝膠、有機凝膠以及氣凝膠基TENGs進行性能優化設計，分析對比了常用材料在不同凝膠基TENGs的性能差異；重點討論了凝膠基TENGs在人體運動感知、健康檢測、觸覺感知、環境監測、人機交互等領域的應用進展，為柔性摩擦電傳感器的開發提供了新的視角。該項成果以題為“Gel-Based Triboelectric Nanogenerators for Flexible Sensing: Principles, Properties, and Applications”發表在國際學術期刊《Nano-Micro Letters》上。魯鵬副教授與2022級碩士研究生廖小芳為共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，郭小瑤、蔡晨晨、劉艷華、遲明超、杜國立、韋芷婷、蒙香江參與研究。

圖1.用于柔性傳感的凝膠基TENGs

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圖文導讀

1.凝膠基TENGs的典型結構與工作機制

在凝膠基TENGs的結構組成上，三類凝膠材料均能作為電極和摩擦層。基于結構簡單、皮膚適配和可自由移動的特點，單電極模式的凝膠基TENGs在柔性可穿戴傳感器的開發中占據獨特優勢。水凝膠和有機凝膠通常封裝在Ecoflex、PDMS等彈性體內，常作電極發揮作用。氣凝膠則憑借高比面積、高孔隙率的結構特點，作為摩擦層時能儲存和傳遞更多的帶電物質，有效增強了表面電荷密度。因此，相比致密性的摩擦層材料，以氣凝膠為摩擦層的TENGs在同等條件下具有更優異的輸出性能。

圖2.凝膠基TENGs的典型結構與工作機制

2.用于柔性傳感的凝膠基TENGs的性能優化

（1）水凝膠基TENGs

大部分的水凝膠電極本身導電能力有限，本征電導率在10?5–10?1S cm-1之間，與金屬電極相差甚遠。為保障柔性摩擦電傳感器的傳感效果，增強水凝膠電極的導電性能意義非凡。主要介紹了引入導電填料、自由離子或導電聚合物等方式，以此優化水凝膠基TENGs的導電性能。

圖3.水凝膠基TENGs導電性能的優化

為實現皮膚適配性、傳感穩定性以及器件耐用性，可穿戴傳感設備對水凝膠材料的機械性能有著特殊需求，尤其是在大拉伸變形下的完整性。主要介紹了向凝膠基質中添加納米填料或摻雜劑、能量耗散機制的構建，探討了水凝膠基TENGs機械性能的優化策略。

圖4.水凝膠基TENGs機械性能的優化

此外，制備具有自修復行為的柔性傳感器件是拓寬在極端惡劣環境應用的關鍵。主要討論了通過引入動態化學/物理鍵的方式，實現提升水凝膠基TENGs的自修復功能，拓寬柔性傳感器件的適用范圍并延長使用壽命。

圖5. 水凝膠基TENGs自修復性的優化

（2）有機凝膠基TENGs

較高機械韌性的材料能幫助柔性傳感器更好地適應復雜環境變化，一定程度防止器件過早失效，提升穩定性和使用壽命。與雙網絡水凝膠的設計策略類似，高韌性有機凝膠基TENGs也主要是構建能量耗散機制。具體方法包括但不限于構建犧牲網絡、微相分離、聚合物結晶和離子-偶極相互作用。

圖6. 有機凝膠基TENGs機械韌性的優化

有機凝膠液相選擇性多，極性有機溶劑、離子液體以及脂肪等都可以作為有機凝膠的液相。有機凝膠避免了水易高溫蒸發、低溫凍結對水凝膠基TENGs的工作溫度范圍的限制。通常情況下，引入甘油、乙二醇等二元溶劑進行溶劑置換，或利用離子-偶極相互作用等可實現對有機凝膠基TENGs溫度耐受性的提升。

圖7. 有機凝膠基TENGs溫度耐受性的優化

（3）氣凝膠基TENGs

介電常數是指材料在交變電場中極化的能力，在TENGs中反映了摩擦電材料產生和保留摩擦電荷的能力。為提升氣凝膠基TENGs的摩擦輸出性能，介電調控已被證明是非常有效的方式。主要介紹了孔隙率調控和填料摻雜等策略，實現氣凝膠基TENGs的介電增強。

圖8. 氣凝膠基TENGs 的介電增強策略

環境溫度變化會對柔性傳感器的傳感結果造成干擾。氣凝膠是一種優異的隔熱材料，其多級分形孔結構可以有效阻止空氣對流，降低熱輻射和熱傳導。優化隔熱性能有助于提升氣凝膠基TENGs的高溫環境適應性，降低溫度變化對傳感效果的干擾。

圖9. 氣凝膠基TENGs隔熱性能的優化

3.凝膠基TENGs在柔性傳感的應用

（1）人體運動感知

對運動狀態的感知與監測能幫助人們及時掌握運動狀態，有助于實現個人的健康管理。凝膠基TENGs能將運動信號轉換為電信號，實現對四肢、關節和肌肉等人體運動狀態的實時監測。

圖10.用于人體運動感知的凝膠基TENGs

（2）觸覺感知

在智能產業的興起下，智能觸屏電子產品的普及推動了人們對觸覺交互界面的研究。觸覺感知不僅能夠幫助人體進行運動控制和技能訓練，并且還能識別不明信號，實現及時預警保護人體安全。凝膠材料具有優異的柔韌性以及自修復功能，以凝膠材料組裝的TENGs在觸覺傳感器的開發中優勢突出。

圖11. 用于觸覺傳感的凝膠基TENGs

（3）健康監測

健康監測對于預防疾病、管理健康、個性化診療和提高健康意識提供了切實可行且高效的方案。隨著無線網絡和傳感技術的有效聯合，以凝膠材料集成的柔性摩擦電傳感器通過對呼吸、汗液、血壓、心率等生理信號進行感知監測，可實時監測人體健康狀態。

圖12. 用于健康監測的凝膠基TENGs

（4）環境監測

人類活動的不斷擴大和工業化進程的加速，讓生態環境面臨日益嚴重的威脅和挑戰。加強環境監測對于保護生態平衡至關重要。凝膠基TENGs主要集中對環境溫度、濕度、水質以及氣體等進行監測。

圖13. 用于環境監測的凝膠基TENGs

（5）人機交互

得益于無線傳感器和物聯網的聯合發展，人機交互逐漸成為推動智能化時代發展的有力途徑。基于凝膠材料的柔性摩擦電傳感器在人機交互領域已取得長足的發展，主要體現在人機界面（HMI）、信息防護加密以及智能機械臂等方面的應用優勢。

圖14. 用于人機交互的凝膠基TENGs

（6）其他領域

集自供電、柔韌且環境友好型為一體的凝膠基摩擦電傳感系統，經過合理的結構設計和材料性能優化，展現了在其他領域的發展潛力。例如，水凝膠和有機凝膠具有類人體組織細胞結構，能用于傷口愈合、植入式醫療。凝膠基TENGs還能通過監測駕駛員面部反應以及車速，來評估駕駛安全性，實現在智能交通領域的應用。

圖15. 用于其他領域的凝膠基TENGs

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結論

凝膠基摩擦電柔性傳感器的出現，推動了柔性傳感領域向器件可穿戴、材料柔韌性以及設備自供電的方向發展。本文從原理、性能和應用的角度全面總結了凝膠基TENGs在柔性傳感領域的最新進展。文章在末尾從材料、電輸出性能以及應用三方面對凝膠基TENGs現存的挑戰深入討論，并對凝膠基TENGs的未來發展作出展望，以期推動凝膠基TENGs在柔性傳感領域更加廣泛且深入的發展。