《Small Structures》：Wearable Rehabilitation Devices Using Textile-Integrated Triboelectric and Piezoelectric Nanogenerators
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可穿戴康复技术正日益将摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)集成至纺织结构中，以构建自供电、柔性、贴体且具备优异机械顺应性、生物相容性及临床可用性的设备。研究人员从聚焦于康复应用的纺织集成视角，批判性审视了TENG、PENG及混合TENG–PE
可穿戴康复技术正日益将摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)集成至纺织结构中，以构建自供电、柔性、贴体且具备优异机械顺应性、生物相容性及临床可用性的设备。研究人员从聚焦于康复应用的纺织集成视角，批判性审视了TENG、PENG及混合TENG–PENG技术。具体而言，研究人员比较了材料体系、纤维/纱线/织物层面的制备策略及器件结构，并探讨了将其集成至可穿戴平台以实现支持治疗反馈的自供电运动传感和能量收集。这些进展为下一代可穿戴康复平台指明了一条极具前景的发展路径，该类平台能够在日常服装中融合能量收集、实时传感与治疗反馈功能，有望通过持续、自主的监测与干预改善患者预后。
引言
电子纺织(E-textiles)已成为将传感、驱动与能量收集功能直接嵌入织物的功能性平台，反映了以人为本的电子学发展趋势，其中机械顺应性、舒适性与长期可穿戴性与电学性能同等重要。在此背景下，摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)已成为领先的生机电能量收集(BEH)技术，能够直接将人体运动转化为电信号，无需依赖外部电源。当在纤维、纱线或织物层面实现集成时，这些系统为实现自主、自供电的康复可穿戴设备提供了可行路径，其具备轻量化、可变形特性，并与广泛的制造及集成策略兼容，包括机织、针织等传统纺织工艺，以及涂层、喷涂、印刷技术和功能薄膜层压等后处理与功能化方法。
现有综述多聚焦于提升输出性能、电荷密度或转换效率的材料中心视角，较少关注TENG与PENG如何物理嵌入纺织结构，以及透气性、耐洗涤性和重复机械载荷等纺织约束如何塑造系统级性能。这对于康复应用尤为重要，因为可穿戴技术必须在人体-纺织界面连续运行，并满足舒适性、耐用性和生物相容性的严格要求。全球残疾负担的日益加重与传统康复模式效率不足的矛盾，凸显了对去中心化康复技术的迫切需求。可穿戴技术虽被广泛提议用于实现连续监测与远程评估，但传统电池带来的体积、刚性与维护需求限制了其长期采用。生机电能量收集通过将步态、关节屈曲或肌肉激活等常规人体运动转化为电能，为此提供了极具吸引力的替代方案。自2006年PENG与2012年TENG概念提出以来，这些纳米发电机已从实验室演示发展为可用于可穿戴与植入式设备的原型，能够为传感器供电、实现运动反馈并提供治疗性电刺激。本文中，研究人员从康复聚焦的纺织集成视角，批判性审视了基于TENG、PENG及其混合组合的技术，比较了材料体系、不同层面的制备策略与器件结构，并讨论了其在支持治疗反馈的自供电运动传感与能量收集可穿戴平台中的集成，强调了应用相关的性能指标与系统级考量。
TENGs
工作机理与操作模式
摩擦电荷产生源于不同材料间的电子转移，由电负性与表面能垒的差异驱动。这种温度依赖的电荷不稳定性对于康复可穿戴设备尤为相关，物理治疗期间的长时间皮肤接触与局部高温可能损害电荷保持能力。保留的界面电荷建立持久电场，通过静电感应与机械运动的耦合实现能量收集。基于此，TENG主要包含四种基本操作模式：接触-分离模式通过周期性法向运动产生高输出电压，适用于间歇性压力监测；单电极模式简化架构，设计灵活性与可穿戴性更优；横向滑动模式依靠面内剪切位移产生稳定连续的电流输出，利于检测重复性运动；独立摩擦层模式则通过解耦移动摩擦层与直接电接触，实现高精度运动传感。
材料
TENG的效率与响应性根本上由材料选择决定，特别是负责表面电荷产生的摩擦电层特性。摩擦电序根据相对电子亲和力对材料排序，跨极性梯度配对可最大化界面电荷转移。除本征极性外，近期策略聚焦于工程化接触界面以进一步放大电荷产生，例如粒子基聚四氟乙烯TENG(PP-TENG)通过增强界面接触动力学，在30 N负载下开路电压超过600 V。虽然材料选择常优先考虑最大化输出，但在可穿戴康复应用中必须同时考虑安全性与系统集成。TENG的高电压对应于开路条件，伴随微安级低电流与高内阻，且纺织集成设计中摩擦层不直接接触皮肤，而是被封装层覆盖，确保电荷产生与用户电气隔离。因此，材料选择还需兼顾介电强度、机械顺应性与生物相容性。
机械柔性与耐久性
机械顺应性对TENG性能同样关键，可穿戴设备必须在反复弯曲、拉伸与压缩下维持稳定输出。常见摩擦电材料如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)与聚四氟乙烯(PTFE)具备本征柔性，而工程弹性体基底可实现超过500%的伸长率而不发生机械失效。为进一步提升机械韧性，近期设计引入了本征可拉伸导体，如液态金属网格单电极TENG(LMG-SETENG)，在保持软组织力学特性的同时实现了超过950%的断裂伸长率，并在2000次循环拉伸中维持稳定电阻。类似的PP-TENG也在400%应变下表现出稳定的电阻分布，证实了其在关节安装系统与可变形纺织结构中的适用性。
生物相容性与皮肤接触
生物相容性是康复环境中长期皮肤接触设备的核心要求。软质、生物友好的材料如水凝胶与丝素蛋白因具备低弹性模量、透气性与保湿兼容性而备受关注。代表性案例如混合摩擦-压电纳米发电机(PTENG–PENG)，集成了聚丙烯酰胺-氯化锂(PAAm–LiCl)水凝胶电极，在水下与干燥条件下均能保持稳定电压输出，扩展了至水疗康复环境的适用性。该设备在6小时连续皮肤接触中未引起可见刺激，且水凝胶电极具备自修复行为，强化了其在动态康复场景中的适用性。类似地，液态金属嵌入软弹性体的架构也同时最小化了皮肤磨损并消除了刚性封装需求。
设计策略与器件结构
TENG的结构构型对其将生物力学输入转化为可用电输出的能力至关重要。三明治结构TENG利用垂直堆叠的摩擦层与中间介电间隔物，在压缩运动中增强电荷感应；单电极TENG则将一侧摩擦表面接地，简化了布局。纺织基TENG代表了关键演进，将器件架构与服装级功能相融合。机织物因其紧密的交叉互锁拓扑结构，在应变下能最大化接触面积，从而表现出优于针织物与缝编织物的电荷输出。先进的三维双面互锁织物TENG进一步拓展了设计空间，结合了高达300%的拉伸性与压力敏感性，实现了应变与触觉反馈的双模式操作，将纺织基TENG从结构创新提升为临床相关平台。
TENG的应用
TENG在可穿戴系统中承担三大功能角色：生机电能量收集、自供电传感与集成可穿戴电源。作为能量收集器，TENG能将低频、不规则的机械输入高效转化为电能，例如纺织基TENG可在适度作用力下为数百个发光二极管供电并充电超级电容。作为自供电传感器，TENG对表面接触、压力、应变与运动动态的固有敏感性使其无需外部电源即可实现被动传感，广泛用于步态分析、姿势监测与关节角度检测。当与储能元件集成时，TENG可作为可穿戴电源单元缓冲间歇性能量并稳定输出。在康复领域，TENG已被用于自供电汗液传感器、全身运动传感网络与负压伤口治疗激活的再生敷料，实现了从生理监测到治疗刺激的多元应用。然而，TENG的输出稳定性易受湿度、汗液与可变接触条件影响，这界定了其更适用于运动传感与事件检测，而非长期连续电源。
PENGs
工作机制
PENG通过压电效应将机械能直接转化为电能，即非中心对称晶体结构在机械形变下产生内部电场。机械变形诱导电荷中心位移并形成宏观极化，释放应力时偶极子弛豫产生反向电荷流动，从而形成交变输出。压电材料的机电耦合可通过本构方程定量描述，其中压电系数(dijk)是决定性能的核心参数，需在材料灵敏度与机械顺应性间取得平衡。PENG无需接触起电，可直接将应变转化为稳定电压输出，对低频生物力学运动响应良好，适用于运动传感鞋垫、膝关节支具与皮肤贴片。
材料
聚合物基压电材料如PVDF及其共聚物PVDF-TrFE因柔性、生物相容性与可加工性而被广泛使用。PVDF的β相因全反式链构象具有最强压电响应。分子掺杂策略如引入苝基分子可促进β相结晶并改善偶极取向，提升压电系数。无机压电陶瓷如钛酸钡(BaTiO3)与锆钛酸铅(PZT)虽具有更高压电系数，但脆性限制了其在可穿戴设备中的应用。近期研究通过薄膜化与聚合物-陶瓷复合结构克服此限制，如BaTiO3薄膜纳米发电机在塑料基底上实现了1.0 V输出，而BaTiO3纳米颗粒嵌入PVDF-TrFE的复合材料则在保持柔性的同时提升了耐久性。材料选择仍需在压电效率、柔性、耐用性与生物相容性间权衡。
生物相容性与可穿戴性考量
PVDF类聚合物因化学惰性、柔软性与长期安全记录而适合皮肤接触，而含铅PZT存在离子浸出风险，推动了无铅压电陶瓷的发展。多层封装技术如使用硅酮或帕利灵-C可防止降解并屏蔽潜在有害组分，保障用户安全。
PENG的康复应用
PENG特别适用于康复纺织品，可将关节弯曲、足底加载或姿势变化等分布式低频应变转化为电信号，不受汗液或接触压力变化的干扰。其主要实现形式包括压电纤维/纱线、压电织物与功能化纺织基底。三轴编织PVDF纱线能量收集器展示了纺织制造的兼容性，而编织PVDF/BaTiO3复合传感器可监测膝关节弯曲角度。织物级压电系统可覆盖大面积区域，如鞋垫与袖套，提供空间分辨输出，用于步态事件检测与负荷分布监测。此外，氧化锌(ZnO)纳米线锚定的自供电压电生物传感纺织品可同时监测运动特征与汗液生物标志物。针对卧床患者，“患者服”集成PVDF传感器可检测姿势转换与肢体运动，支持依从性监测与压力损伤预防。纺织PENG作为自供电运动学与动力学传感器，其性能受纺织制造选择（纱线结构、织物组织、多层堆叠）的显著影响，而循环载荷下的耐久性与耐洗性仍是临床转化的主要障碍。
混合TENG–PENG系统
TENG与PENG提供互补的转换特性，单一机制均不足以满足康复级可穿戴设备的全部需求。TENG提供高电压输出与强表面接触敏感性，但性能易受湿度与磨损影响；PENG则具备更优的机械鲁棒性与循环应变下的信号稳定性，但低频低应变下输出幅度有限。混合系统通过耦合两种机制，旨在提升能量密度、扩展工作带宽并稳定输出。全纤维混合、三维纱线基混合纺织品与纳米纤维复合材料是主要的纺织原生实现路径。对于康复应用，混合系统可从单一生物力学输入中实现多模态信号采集，支持同步能量收集、步态相位检测、力量不对称监测与运动质量评估。然而，增强的性能伴随着结构复杂性、界面兼容性挑战与制造可扩展性限制的代价，使其最适用于需要同步传感、能量收集与驱动的先进多功能康复平台。
数字健康与智能康复系统的未来展望
TENG与PENG已成为自供电康复可穿戴设备的关键推动者，但多个障碍仍限制其从实验室走向临床常规应用。核心挑战在于调和生物力学复杂性与长期可穿戴性，康复患者的非典型步态、关节不稳与肿胀对柔软性、顺应性与机械韧性提出了严苛要求。自供电范式还引入了环境与操作敏感性，需通过封装策略、模块化纺织架构与能量感知控制电子学加以解决。纳米发电机产生的数据流在康复分析中潜力巨大，但提取临床可操作信息仍需克服运动伪影与个体差异，需开发经临床验证的信号处理流程与标准化数据集。监管与验证挑战同样显著，纳米材料长期暴露的不确定性及缺乏专用测试标准延缓了监管接受。未来，纺织电子与人工智能及多模态传感的融合有望重新定义可穿戴系统在数字健康中的作用，实现感知-决策-行动的闭环自适应康复系统，最终迈向将传感、能量收集与智能控制无缝嵌入日常服装的患者中心型连续连接康复新范式。
