01研究背景
随着医疗健康、智能机器人和可穿戴设备领域的蓬勃发展，可穿戴e-skin作为增强人机交互与智能感知的核心技术已取得重要突破。然而，现有技术在能量采集、自供电性能及复杂环境适应性方面仍面临诸多限制，例如无法在高湿度、极端温度条件下维持可靠性能。基于摩擦电效应的可穿戴e-skin为解决这些问题提供了一条全新路径。鉴于绝大多数固体、液体及气体在接触-分离过程中均可产生摩擦电效应，这种普适性赋予了摩擦电e-skin极为丰富的材料选择与结构设计空间。因此，深入探究智能摩擦电材料的研究进展，系统分析其结构设计与功能特性，并重点探讨基于这类材料的e-skin在医疗监测、运动传感和人机交互等可穿戴领域的代表性应用至关重要。
02文章概述
近日，聂双喜教授课题组就合理设计用于可穿戴e-skin的智能摩擦电材料的结构与功能特性，及其可穿戴e-skin用于运动传感及新兴应用的研究进展进行综述。文章旨在从发展趋势、结构设计、功能特性以及其应用领域对智能摩擦电材料用于可穿戴e-skin作全面回顾。系统地梳理了1D纤维-2D纤维织物-3D凝胶的摩擦电材料在e-skin开发中的应用路径，重点讨论了摩擦电材料的多功能特性。此外，深入探讨其在医疗保健、运动传感及人机交互等可穿戴领域的代表性应用。最后，针对TENG基的可穿戴e-skin在多功能材料复合、复杂环境下长期稳定性及高集成度与智能制造驱动的性能平衡等方面存在的挑战与机遇进行展望。该项成果以题为“Intelligent triboelectric materials for active-sensing wearable e-skin”发表于材料领域国际顶级学术期刊Materials Today（影响因子22.0）。2022级本科生何碧莹为本文第一作者，聂双喜教授为通讯作者，刘艳华、韦芷婷、王金龙、蒙香江、蔡晨晨、迟明超等参与研究。
图1. 用于电子皮肤的智能摩擦电材料的设计策略、功能特性和应用示例
03图文导读
1.智能摩擦电材料
（1）智能摩擦电材料的发展趋势
摩擦起电是一种普遍存在于两种异质界面之间的普遍电学现象，回顾近十余年的发展脉络，发现用于e-skin的摩擦电材料演进始终围绕着“结构-功能协同”这一主线不断深化。实现了从单一感知向多功能感知转变，同时向着更舒适、环境自适应与智能方向持续迈进。
图2. 智能摩擦电材料的发展趋势
- 智能摩擦电材料的设计
电子皮肤从单一压力传感向多感知、多功能融合演进，这一变化正依赖于摩擦电材料从1D纳米/微米纤维到2D织物或薄膜再到3D凝胶等多形态智能摩擦电材料的结构递进。1D纤维凭借卓越的柔韧性与可恢复摩擦性能，奠定了传感响应的基础。2D织物或薄膜凭借其大的比表面积和均匀分布实现数字化、可视化的双通道压力传感，同时兼具优异的延展性和透气性。3D凝胶立体结构模仿人体皮肤，实现了多点分布式感应精度与实时连续的多种生理信号监测。
图3. 二维纤维织物/膜的设计策略
图4. 三维凝胶的设计
2.用于电子皮肤的智能摩擦电材料的功能特性
（1）可拉伸特性
可拉伸性作为可穿戴e-skin最核心的特性之一，直接决定了设备在动态形变（如拉伸、弯曲等）下的可靠性和耐久性。优异的可拉伸性不仅能够适应人体运动的大范围形变，还能避免因反复机械应力导致的永久性结构损伤，从而确保设备在复杂工况下的稳定运行。目前，提升可拉伸性的主要策略可归纳为两类：一是采用本征可拉伸的柔性材料，二是通过精巧的微结构设计赋予刚性材料可变形能力。
图5. 摩擦电材料的可拉伸特性
（2）自愈合特性
组件的划伤或结构损伤不仅会显著降低其传感灵敏度，还可能损害其功能性，导致材料的环境适应性大幅下降。受人体皮肤自修复机制的启发，提升材料的机械稳定性和化学耐久性是实现系统可靠运行的关键。对于具有自修复特性的摩擦电材料而言，由于电荷转移能力的局限性，如何在自愈过程与摩擦电性能之间取得最优平衡，成为开发高性能TENG基电子皮肤的核心挑战之一。
图6. 摩擦电材料的自愈合特性
（3）防水透气性
众所周知，人体皮肤通过水分蒸发实现排汗这一重要生理功能。然而，传统不透气的e-skin会严重阻碍皮肤与环境之间的气体交换，导致汗液在器件/皮肤界面不断积聚。这种水分积累不仅会显著降低界面粘附强度，引发器件移位甚至脱落等问题，还会因电荷屏蔽效应导致TENG基e-skin的输出性能和传感信号明显衰减。更为严重的是，长期密闭环境可能引发皮肤不适甚至炎症反应。因此，在TENG基电子皮肤的研发中，实现优异的防水性能与透气性的协同优化，成为确保器件长期稳定工作与穿戴舒适性的关键设计要素。
图7. 摩擦电材料的防水与透气特性
（4）生物相容性
电子皮肤作为与人体直接接触的功能性材料，其生物相容性至关重要。理想的e-skin不仅需要具备良好的穿戴舒适性，更应确保不会对人体造成任何潜在健康风险。具体而言，在与生物组织长期接触过程中，e-skin摩擦电材料应当满足以下关键要求：首先，材料本身及其降解产物必须完全无毒无害；其次，不会诱发机体的免疫排斥反应；再者，要避免引起局部组织炎症或过敏反应；最终目标是实现与人体组织的完美生物整合，达到真正的“人机共生”状态。这些生物相容性指标是电子皮肤能否实现临床应用的决定性因素。
图8. 摩擦电材料的生物相容性
（5）高灵敏性
高灵敏度和低检测限是自供电式e-skin在健康监测应用中的关键性能指标。研究表明，通过在摩擦电材料中构建微/纳米结构（如微柱、纳米纤维或多孔网络），可有效增强其传感灵敏度。此外，在摩擦电功能层间引入微结构设计（如表面图案化或中间层调控），能够动态优化界面电荷转移行为，从而进一步提升器件性能。这一策略已被多项研究证实是提升e-skin灵敏度的有效途径。
图9. 摩擦电材料的高灵敏性
3.可穿戴电子皮肤的应用
- 医疗保健
智能e-skin在个性化医疗保健和物联网领域展现出广阔的应用前景，其无感化集成特性使其能够深度融入日常生活，为用户带来更智能、便捷和舒适的体验。然而，当前可穿戴技术在临床转化与实际应用层面仍存在显著的技术瓶颈。基于摩擦电技术的e-skin系统，凭借其高灵敏的步态分析能力和精准的腰部动作捕捉性能，为构建人工智能驱动的物联网医疗体系提供了一种低成本、高能效且适应性强的创新解决方案。
传感技术的蓬勃发展为万物互联的物联网时代提供了关键的技术支撑。其中，基于运动交互传感器的可穿戴e-skin研究近年来取得了显著突破。基于TENG基的可穿戴e-skin可直接贴合于人体皮肤，实时捕获多种生理信号及运动活动数据，进而实现对人体运动生物力学信息的精准、多模态监测。
图10. 可穿戴电子皮肤在医疗保健和运动传感中的应用
（2）人机交互
随着信息技术的迅猛发展，人机交互关系正日益成为数字化时代的核心议题。传统交互设备在穿戴舒适性、环境适应性和智能响应等方面已显现明显局限，如何构建以用户体验为中心的新型人机交互系统成为当前研究的关键突破点。研究发现，通过实时监测手部运动引发的前臂皮肤动态形变，不同机械刺激下产生的摩擦电信号具有显著特征差异，这一现象为开发高灵敏度、多功能集成的可穿戴电子皮肤提供了新思路。基于此设计的智能人机界面不仅具备优异的舒适性，更能实现精准的手势识别功能，为人机交互方式带来革命性创新。
图11. 可穿戴电子皮肤在人机交互界面的应用
4.结论
在全球人口持续增长与仿生技术迅猛发展的时代背景下，医疗健康、电子工程与数字技术的协同突破，推动了基于智能摩擦电材料的可穿戴电子皮肤技术呈现爆发式发展态势。本综述立足于材料功能化设计视角，系统阐释了1D纤维结构、2D织物/薄膜以及3D凝胶网络的分子设计与多尺度复合策略。继而重点剖析了可拉伸力学性能、自修复特性、防水透气功能以及生物相容性等核心功能特性在可穿戴电子皮肤中的创新应用价值。基于此，全面评述了其在医疗健康监测、运动生物力学传感、智能人机交互等前沿领域的最新研究突破。最后，从材料-器件-系统多层级集成的角度，深入探讨了该领域未来发展的关键科学问题与技术挑战。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.08.008
