將電子產品與服裝和人體相結合以支援人們的生活方式正在迅速成為現實。其中一些電子產品，包括健康感測器、通訊裝置和個人電子產品，具有改變未來生活的潛力。此類電子設計最苛刻的方面之一是其供電系統，不僅需要
持續供電
，還需要
可穿戴
特性和
耐用性
，這是許多傳統供電方法未能實現的。摩擦奈米發電機（TENG）依賴於材料之間的靜電荷，可以將機械振動轉化為電能。由於 TENG 具有高瞬時功率輸出和效率、低成本、易於製造，重量輕，耐磨。本文是對最突出的
可穿戴 TENG
類別的綜合回顧；用於服裝應用的
基於紡織品的 TENG
、
結合鞋類的 TENG
設計和
其他 TENG 配件
。在此，研究了這些類別中最重要的發展，重點是它們的材料、製造、特徵、優點和缺點。最後，對阻礙可穿戴 TENG 發展的主要挑戰進行了詳細分析，並對潛在的改進技術進行了深入分析，以實現該技術的廣泛商業化。
圖文簡介
表示人體產生的能量型別的示意圖
體運動能量採集裝置的一維機械系統：a）等效動力學模型，b）基於不同物理機制的能量轉換單元。
些用於從人體運動中獲取能量的技術：a） 電磁發生器。 b） 壓電發電機。
TENGs 的四種主要工作模式，分別為 a） 垂直接觸分離模式、b） 橫向滑動模式、c） 單電極模式和 d） 獨立摩擦電層模式。
基於夾層纖維/紗線的 TENG 開發
核殼結構的 TENG 發展
基於針織織物的摩擦奈米發電機
基於 TENG 的能量收集器整合到鞋底中。
總結
這項工作詳細回顧了可穿戴 TENG 裝置的最新發展，主要針對基於紡織品的可穿戴 TENG 結構、TENG 在鞋類中的應用以及其他可穿戴 TENG 配件。隨著最近物聯網、5G 和先進可穿戴技術的擴充套件，電子裝置和感測器正以快速增長的速度與我們的身體、服裝和配件整合。對於此類應用，人類能源是一種無處不在的可再生、免費和無限的能源。本文討論了可用於此類應用的人體能量型別，並強調了機械能相對於其他人體能量形式的優點。比較了電磁、壓電、強調了摩擦電能收集技術和 TENG 作為可穿戴電子裝置供電和感測應用的主要候選者的潛力。因此，解釋了不同型別 TENG 的理論框架和工作原理，特別關注距離相關電場理論和麥克斯韋位移電流模型。
在本文中，可穿戴TENG根據其應用細分為三大類；基於紡織品的可穿戴 TENG、鞋類 TENG 和其他可穿戴 TENG 配件。考慮到分析的便利性，基於紡織品的 TENG 再次細分為兩大類，包括基於紗線/纖維的 TENG 和基於織物的 TENG。
紗線和纖維是任何紡織結構的組成部分，從纖維/紗線規模開始開發 TENG 架構可以最大限度地實現 TENG 功能化。最近，已經使用夾層結構和核殼型結構開發了基於紗線/纖維的 TENG。
另一方面，當基於織物的 TENG 在織物階段進行功能化時，它們可以用作 TENG 架構中的基板或功能元件。在這篇綜述中，基於織物的 TENG 分為兩大類；結構改性（針織和機織織物型別）TENG 和表面改性（針織和機織織物型別）TENG。與難以處理和加工的基於紗線/纖維的 TENG 相比，基於織物的可穿戴 TENG 具有更高的穩定性和可加工性等優點。
關於鞋用TENG，根據用途進行了劃分；能量收集或感測。在鞋式整合能量採集器中，這些被歸類為僅基於 TENG 的裝置或 TENG 混合採集器。由於有關該主題的大量報道研究，前面的部分根據鞋內的裝置放置情況進一步劃分；在鞋底上方、與鞋底結合、在鞋底下方或與鞋結合。
能量收集是鞋類 TENG 的主要應用，如果摩擦電機制與其他能量收集技術混合使用，則更是如此。足部撞擊收集的能量可用於為電子裝置供電，包括鞋上 LED、溫度和溼度感測器、GPS 晶片，甚至智慧手錶。另一方面，基於 TENG 的感測器雖然輸出功率有限，但可以提供有關步態模式、鞋墊壓力分佈和其他引數的重要資訊。因此，這些感測器可以應用於運動科學、糖尿病足潰瘍風險評估、生理和康復步態監測等領域。此外，基於 TENG 的感測器可以作為自己的能源，建立摩擦電自供電感測器。然而，這些感測器的設計構成了一項工程挑戰，因為必須對感測器控制邏輯進行程式設計以在感測和採集模式之間交替。換句話說，需要一個測量裝置（例如，微控制器）來讀取TENG輸出電流，其訊號包含相關資訊。但是，該裝置也應該由 TENG 驅動，以獲得真正的自供電感測器。因此，應在 TENG 和測量裝置之間整合無源/有源 PMM。在被動階段，PMM 應該有效地為儲能單元充電，例如電池或超級電容器，這些單元將用於為裝置供電。隨著儲存單元充滿電，由測量裝置控制的電壓/電流調節開關將在採集和感測模式之間交替，即 分別是被動階段和主動階段。這種開關可以透過一個或多個 MOSFET 的實現來實現，［ 218 ］通常消耗更少的功率。關於無源 PMM 設計，有人注意到一種有效的方法已經在能量儲存效率方面顯示出良好的結果。［ 219 ］
其他可穿戴的 TENG 配件，即腕帶、腰帶和電子面板，在能量收集和感測方面越來越受到關注。這些 TENGS 通常由紙張、塑膠、廢料和複合材料等材料製成。在第 5。3節中，根據它們在體內的位置，總結了它們的一些最新發展，並討論了它們的製造方法、電氣效能和應用。
6。2 觀點
展望該研究領域的未來進展，這項工作強調了需要克服的幾個關鍵障礙，以便可穿戴 TENG 可以傳播到實際應用中。這些挑戰根據影響所有 TENG 型別的一般缺陷以及每個可穿戴 TENG 研究領域的具體挑戰進行了分析。
TENG 由一種獨特的器件結構組成，該結構具有一個或兩個非導電摩擦電接觸表面，其中保留了摩擦電荷。這導致了一系列通用挑戰，影響所有 TENG 型別的效能及其與典型電子裝置的相容性。
隨著物聯網和無線感測器網路 （WSN） 的進步，人們還應該著眼於開發“智慧”的 TENG 整合可穿戴裝置。在此背景下，柔性和有機電子技術的快速發展以及 TENG 的持續研究將促進電源和電力負載之間的整合。然而，在兩者物理距離較遠的可穿戴應用中，能量傳輸仍然必須依賴有線連線，這可能會影響可穿戴性。可穿戴和更有效的無線能量傳輸方法的發展可能會解決這個問題，［ 50 ］儘管仍然需要大的發展。相反，使用薄、柔韌和耐用的導電材料可能仍然是最好的方法。
研究特定於紡織結構的挑戰，這些挑戰可以大致分為以下領域：i） 基於紡織的 TENG 理論，ii） 材料、結構和製造方法，以及 iii） 電氣、可穿戴和耐用效能。首先，迄今為止開發的大多數 TENG 理論平臺都經過設計和演示，用於對簡單的平面 TENG 架構進行建模、模擬和最佳化。這種方法將導致對紡織紗線、針織或機織單元以及因此紡織織物的 TENG 輸出行為進行建模。這些發展將極大地增強基於紡織品的 TENG 的設計、製造和最佳化，以用於實際應用。因此，這些發展也將顯著提高基於紡織品的 TENG 設計的成本、時間和效率，目前這種設計僅限於試錯法。
在材料選擇方面，早期的基於紡織品的 TENG 使用傳統材料，如有機矽聚合物和 PTFE 片材作為摩擦電活性表面。雖然這些結構在短期內提供了足夠的電力輸出，但這些材料的耐用性、耐磨性和舒適性並不是最適合可穿戴應用的。最近，人們越來越關注使用更傳統的紡織材料（例如，尼龍、棉花、絲綢）作為纖維、紗線和織物形式的摩擦電層，並具有適當的功能化以幫助克服這些問題。其中一些材料顯示出與傳統摩擦材料相當的輸出效能，同時顯著提高了耐磨性和耐用性。此外，最近的基於纖維的 TENG 已使用靜電紡絲、奈米纖維摻入和電噴塗等技術製造，以提高輸出效能。另一方面，基於織物的 TENG 已經用奈米材料和奈米結構製造，以提高其發電和可穿戴特性。
過去用於製造基於紡織品的 TENG 的許多製造技術都是基於實驗室的方法，無法在未來進行大規模生產。為此，已經建立的紡織品加工方法，如絲網印刷、染色、浸塗和紗線塗層，如果經過輕微修改，可用於製造基於紡織品TENG，這將有助於該技術的可擴充套件性。除此之外，使用最新的紡織製造方法，如先進的針織、先進的紗線加工、3D 編織、芯殼紗線生產和 3D 針織設計在 TENG 製造中變得越來越流行，因為這些方法可以進一步增強電氣和可穿戴錶演。
總而言之，迄今為止，基於 TENG 的可穿戴裝置已經取得了巨大的進步。儘管如此，為了實現它們的商業化並過渡到物聯網和無線感測器網路時代，仍需要進一步努力。本次審查旨在提供未來的主要挑戰，並幫助指導成功實施這一獨特技術的必要發展研究。
論文資訊
論文題目：
Recent Progresses in Wearable Triboelectric Nanogenerators
通訊作者：Nandula D。 Wanasekara，Ishara G。 Dharmasena，João Ventura
通訊單位：莫拉圖瓦大學工程學院紡織與服裝工程系，波爾圖大學科學學
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