摩擦电纳米发电机在医疗脉诊中的研究与进展*

张明叡，高国伟，2

（1.北京信息科技大学传感器北京市重点实验室，北京 100101；2.北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

0 引 言

随着全球人口老龄化的增长、环境改变、食品安全等各方面问题给人体健康带来巨大挑战。健康监测对于改善人的健康状态愈来愈重要，摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogene-rator，TENG）利用新技术和纳米材料来高效地收集环境中的能量，主要应用于可穿戴电子设备、医疗健康、环境科学、人机界面和人工智能等相关领域［1］。如图1所示。

图1 TENG在纳米能源、蓝色能源、自驱动传感器和直流高压电源领域的相关应用［1］

将TENG用于医疗传感器，一是TENG 响应于健康状态刺激而生成电信号，并且作为不需要任何外部电源的自供电传感器工作；另一种是TENG 与能量存储设备和健康相关传感器联合工作以形成自供电感测系统，其中TENG通过从周围环境收集能量来向传感器提供电力。此外，TENG还具有能量转换效率高、输出功率密度高、制造简单、可植入、成本低、材料选择广泛、工作模式多样等优点［2］。这些特征允许TENG被制成柔性的、适形的和生物相容的，从而赋予TENG用于医疗监测的巨大潜力。

1 TENG的基础理论

1.1 工作原理

TENG起源于麦克斯韦位移电流［3］。2012 年，王中林教授团队首次提出该技术，基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合作用将微弱的机械能收集起来［4］。

TENG主要是由摩擦起电产生电荷，再通过静电感应产生电势差使得电荷发生转移，从而产生电流。通过周期性运动产生的电信号，将机械能转化为电能［5］。图2 为TENG的理论模型［6］。因此，摩擦过程中材料对电子的束缚能力和材料之间的相对极性十分重要［7］。

图2 TENG的理论模型［6］

常用金属铝（Al）、铜（Cu）或者聚氨酯和锦纶等材料做正极［8］，负极材料则多采用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）等有机聚合物，一般用银纳米线（Ag nanowires，AgNWs）、石墨或一些导电纤维等作为电极材料［9］。目前大多数TENG都是基于聚合物且灵活的，成本效益高且易于制造，部分高温TENG则由耐用的陶瓷材料制成，适用于极端操作条件。除了选择摩擦材料，还可以通过微加工的方法来提升摩擦起电效应，例如改变材料表面的微结构，通过激光烧蚀等方法，在材料表面修饰出类似于纤维状、半球形或者金字塔形的微纳米结构，以此构造出更容易产生感应电荷的结构［10］。

1.2 制备工艺与性能优化

2023年，张锐等人［11］采用静电纺丝法，将MoS2＠TNr纳米异质结和醋酸纤维素（cellulose acetate，CA）复合到PVDF中，制备PVDF／CA／MoS2＠TNr（PCMT）复合纳米纤维膜并组装成TENG，最大开路电压为71.5 V，最大短路电流为6.3 μA，最大输出功率密度为6.25 mW／m2，进而大幅度提升输出性能。

Zhang Z等人［12］采用涂敷法，将一种新型纳米颗粒（nanoparticles，NPs）掺杂热塑性弹性体（thermo-plastic elastomer，TPE）复合织物，从而制备TENG，TPE复合织物表现出优异的弹性和良好的柔韧性，在施加60 N力时最大输出电压470 V，电流为24 μA。织造法都保留了织物的透气、水洗等特点，但同时遗留下了收集电荷能力弱、输出性能差等缺点。

2021年，苗倩倩［13］以湿法腐蚀法制备的微结构化铝板作为压印模板，制备了具有表面微结构的PDMS 膜。结果表明，面积为3 cm×3 cm的TENG在4 Hz、40 N的机械力作用下的QSC约为16 nC，σ约为17.78 μC／m2，ISC峰峰值约为28 μA，VOC峰峰值约为410 V。

1.3 4 种模式在医疗应用的潜在价值

1.3.1 垂直接触-分离式

该模式由2 种摩擦材料组成，其电能的产生依赖于2个电极之间的有效接触和分离，但作为首次报道的TENG，在收集振动或冲击产生的动能方面具有压倒性的优势［14］。特别是在该模式下设计的弧形结构［15］，如图3（a），可达到39%的效率最大值，相比于复合结构［16］和弹簧支持的分离结构［17］等，如图3（b）和图3（c），其能量转换效率最高。

图3 TENG结构

Wang S及其团队［18］用该模式TENG 作为振动能量的能量采集器，当使用电极尺寸为10 cm ×10 cm 和电极间隙为2 cm的CF-TENG在其谐振频率下工作时，可以有效地感测振幅为3.5 μm的细微振动，同时为电子系统提供可持续的电源，且具有极低的材料表面磨损、瞬时功率密度高、强大的鲁棒性、易于实现多层集成等突出特点，适用于收集短周期运动、振动、周期性冲击等各种类型的能量，在脉搏、心跳检测等方面，该方式将存在一定的潜在价值。

1.3.2 单电极式

该模式只有一个电极附在摩擦层上，另一个可以放任何地方作为参考电势，没有电极限制，在速度传感器［19］、生物探测传感器［20］、人体运动传感器［21］等自驱动传感方面研究较为广泛。

在健康检测方面，崔小静及其团队［22］设计了一种基于单电极织物TENG结构的新型智能抗菌口罩，在提高口罩综合防护能力的同时，实现了对呼吸指标的动态监测。在过滤装置处，利用2 种材料间气阻的差异，用负载AgNWs的活性碳纤维布（activated carbon fibric cloth，ACFC）和静电纺丝PVDF纤维作为摩擦电层，在持续吸气、呼气的过程中，驱使摩擦电层反复运动，不断提供静电电荷，建立层间静电场，以实现对颗粒物的吸附。结果显示，该结构可对PM2.5和PM0.5分别实现高达98.3%和96.5%的过滤效率。在实际佩戴下，呼吸的频率、强度、咳嗽等情况均可实现实时的监测。

1.3.3 水平滑动式

该模式利于收集滑动、滚动和平动形式的机械能，在设计结构上有封装管式结构［23］、栅状电极结构［24］、旋转柱形结构［25］和旋转圆盘结构等如图4所示。其中，基于液态基础的具有高达约70.6%的瞬时能量转换效率［26］；同时相对滑动更有利于摩擦电荷的产生和转移［27］。

图4 水平滑动模式的部分应用实例［23 ～25］

具有光栅结构的TENG在人体运动信号采集上应用较多，但其凹凸结构导致大的摩擦阻力和磨损。Shang W 等人［28］开发了具有化学基团光栅结构（S-TENG-CGG）的STENG，通过反应离子刻蚀（reactive ion etching，RIE）工艺的帮助与光栅结构的金属掩模，使摩擦电势正负交替结构，由于表面官能团的变化，表面的格栅结构获得相反的摩擦电势，最终产生交替的输出信号，并且频率由段数和移动速度两者决定。由于无凹凸结构，使得摩擦阻力和磨损大大降低，稳定性更好，使用寿命更长且性能更稳定。这将为可穿戴自供电的医疗检测设备，例如关节活动，步态监测等应用带来帮助。

1.3.4 独立层式

与单电极式相似，由1 层介电薄膜与2 个互不相连的对称平行电极组成，因长时间周期性运动产生材料损耗，通常在两者之间添加一层介电薄膜或者保持一定间距，从而提升耐用度［29］。

由于独立层式主要用于机械能的收集，Paosangthong W等人设计出一种具有正、负交替独立式光栅结构的纺织基TENG（pnG-TENG）［30］，采用10个尼龙织物和PVC导热乙烯基光栅，通过丝网印刷银方式，在负载电阻为50 MΩ、2 Hz机械振荡和5 N 接触力下，可提供136 V 的开路电压、2.68 μA的短路电流和125 μW的最大功率。这相当于最大有效值功率密度为38.8 mW／m2，分别是使用单一摩擦电材料的TENG 和无光栅的TENG 产生的功率的1. 94 倍和6.43倍。同时相比于前3 种模式，其移动的摩擦层不需要连接电极和导线，并且能够十分有效地避免静电屏蔽效应带来的弊端，对于人体产生的机械能的采集效果更好。

2 基于TENG的医疗脉诊研究进展

中医讲究望闻问切，对于脉搏和心跳的分析是中医对于人体健康判断的一个重要手段；西医则习惯通过可视化或植入式的方法，对测试产生的数据进行比对分析。该部分将从TENG对于医疗和脉诊两个方面的应用进行阐述。

2.1 TENG用于医疗健康

因TENG从生物监测到治疗的广泛而多样的生物医学应用，引起了相当大的关注，因其本身的柔性化和自供电的特点，能在药物输送，肌肉刺激，组织再生和辅助治疗中使用［31］。例如，一些触觉丧失的创伤性周围神经损伤或软组织丧失的患者，植入式神经假肢是触觉恢复的一个有前途的方向，但现有技术存在很多缺点，包括使用和生产的复杂性以及对外部电源的需求。Shlomy I 及其团队［32］制造出一种集成的触觉TENG（TENG-IT）植入皮肤下，将触觉压力转化为电势，通过袖带电极将其传递给健康的感觉神经，从而刺激它们，以模仿触觉，其结构和工作方式如图5 所示。该团队用鼠背根神经节（dorsal root ganglion，DRG）来进行体外原理验证，通过表征TENG-IT 激活感觉神经元的能力，再用大鼠模型，初步解剖以绘制大鼠后爪的感觉神经系统，如图6 所示，进行手术，最后设置对照组测试表明TENG-IT植入提供触觉能力，不会干扰大鼠的运动能力。这项研究使得基于TENG的自供电植入设备作为恢复触觉的手段的巨大潜力。

图5 触觉TENG结构和工作方式

图6 大鼠后足神经解剖学的示意［32］

植入性的方式必然会有创口，伤口愈合的复杂过程取决于各种免疫和生物系统之间的协调相互作用。Long Y等人［33］则设计一种大鼠伤口愈合的可穿戴TENG装置，这种自激活电疗绷带装置主要由生物力学能量转换器（滑动模式TENG）和敷料电极组成，如图7（a）所示。通过将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底另一侧的负电Cu／PTFE层与电正Cu层重叠，获得了多层器件（PET-Cu-PTFE），其弯曲模量低于纯PET 材料，对皮肤表面具有更好的适应性。该装置将呼吸过程中胸壁的机械运动转换为近似0.2 ～2.2 V的电势。此外，与正常愈合组所需的12 天相比，TENG组的体内伤口闭合加速至3 天内，如图7（b）所示。因此，TENG在医疗应用和在人体医疗等方面依旧有广阔的前景和潜力。

图7 可穿戴TENG装置及其实验测试结果［33］

在健康监测方面，Wang J 等人［34］则是直接将所开发的基于TENG的柔性传感器保形地附着在人体皮肤上来监测关节运动，这样能有效减少刚性电池引起的问题，同时在触觉传感器中引入超灵活和自供电的特性。如图8（a）所示，基于TENG的传感器可以通过3 M胶带固定在手指上，以实时监控弯曲状态。电压可达±4 V，正电压和负电压分别对应弯曲状态和释放状态。此外，传感器不仅可以监控手指运动，还可以检测运动状态。例如，开发的传感器可以安装在膝盖上以检测不同的运动状态。膝盖的弯曲带来了2个摩擦电层的接触和分离；不同的运动状态导致所获得信号的峰-峰值和频率不同。如图8（b）所示，可以从获得的信号的形状和频率中获得详细的运动信息。

图8 基于TENG传感器在人体关节检测［34］

而Ahmed A等人［35］设计出的由硅橡胶管和以铁磁流体为摩擦电层的图案铜线电极组成的FO-TENG传感器，输出电压随着游泳速度的增加而增加，以不同的布置与人体集成，并作为自供电传感器工作，不同的游泳技术会产生不同的信号曲线。当游泳者溺水时，由于游泳者以巨大的振幅挣扎和随机运动FO-TENG 信号高于正常水平。同时，Jao Y T等［36］开发了一种基于壳聚糖的TENG（C-TENG），通过人体运动收集生物机械能，用于自供电的医疗保健传感，如汗液和步态检测。因此，上述结果表明，柔性自供电TENG传感器在收集人体机械能和检测人体运动方面具有广阔的应用前景。

2.2 TENG用于脉诊

以无袖带的方式连续地测量人体脉搏波，已经开发了各种可穿戴脉搏传感器，包括压电［37］、电阻式［38］、电容式［39］、基于晶体管的压力传感［40］、超声波传感［41］等。然而，这些生物技术的广泛采用受到其低灵敏度、高成本、缺乏耐磨性和需要外部电源的阻碍。而TENG的出现弥补了这一空白，但心跳和脉搏的振幅相对较小，为了获得心跳和脉搏的信息，要求传感器具有高的压力灵敏度和低的检测限。Bai P等人［42］报道了能够检测心跳的基于膜的TENG，如图9所示。TENG 响应于气压变化产生电输出，当气压增加和减少时，其分别具有0.34 Pa和0.16 Pa的高分辨率。当将TENG 设备安装到胸部上时，心跳引起TENG 设备中的气压变化，每个心跳可以由TENG的对应电信号记录。

图9 心跳监测器的构成与输出电压［42］

检测腕部脉搏对于脉搏诊断是必不可少的，但是包含所有脉冲形状特征的腕部脉冲波形的全视图相对难以实现，尤其是通过单只脉冲传感器。Ouyang H 等人［43］报道了一种基于TENG的脉冲传感器，其可以直接获得与常规脉冲信号的二阶导数一致的电压信号，而无需复杂的电路设计和数学运算。如图10 所示，由2 个摩擦层组成，每个摩擦层具有附接的电极层、间隔件和封装弹性体。使用n-Kapton和n-Cu的TENG按压在24岁男性的桡动脉上时，能产生1.52 V的电压，5.4 nA的电流和1.08 nC 的转移电荷。通过同时使用2个TENG，可以测量脉搏波速度，其可以用于诊断动脉硬化的程度。

图10 基于TENG的脉冲传感器［43］

脉搏可以响应人体的状态和潜在的健康信息，电子皮肤由于其独特的性能和出色的性能而在商业和学术界越来越受欢迎。Yu J等人发明了基于TENG的电子皮肤［44］，用于脉冲信号采集，如图11 所示，它超薄（仅0.6 mm）超软，可以与皮肤实现良好的贴合。该装置采用3个敏感单元设计，这些单元的空间和位置在中医中称为三指，以诊断手腕处的脉搏。该设备可以区分运动前后的状态、高血脂水平和其他亚健康状态。

图11 用于脉搏信号采集的电子皮肤［44］

2018年，Tang Q 等人［45］制备了一种受电子皮肤启发的SI-TENG作为多功能电子皮肤，其中拉伸性与亲肤性3股良好的银涂层尼龙纱线表现出出色的灵敏度和精度。电压超频160 V，瞬时平均功率密度为230 mW·m-2。具有对压力的高灵敏度和快速响应，可以在腕部脉搏检测，这将为中医脉诊带来潜在应用。

3 总结与展望

虽然TENG在医疗脉诊方面取得了很大进展，但该研究领域的未来发展仍存在一些问题需要解决：

1）提高TENG的输出能量：从内部看，现在很多研究通过改性材料或创建表面微纳米结构来增强接触亲密度，从而提高表面电荷密度。从外部可以优化工作环境，引入电源管理电路，例如，电荷泵送和自充电励磁是提高TENG输出功率的2种新开发的有效机制。

2）提高材料和设备的耐久性：长期稳定性是TENG 实际应用的关键问题，使用过程中，材料的磨损会导致性能的下降，可以通过设计接触式与非接触式的切换，或者通过新材料引入来提升输出性能和耐用性。

3）降低TENG 材料对环境的影响：TENG 的材料大多是不可降解的合成聚合物，可能会造成环境污染，可生物降解和可再生材料却往往具有不足的摩擦电和机械性能，天然材料的探索还需进一步的研究来完善。

4）TENG的有效储能：传统的储能设备通常使用直流输入充电。鉴于TENG的脉冲输出特性，研究锂电池中脉冲驱动力作用下离子在隔离膜上的传输和扩散非常重要，这将进一步扩大TENG的应用范围。