一、研究背景

可穿戴技术的快速发展影响了许多行业，包括医疗保健、体育、安全、环境监测、太空开发、软机器人、交通和工业传感。随着这类技术的普及，需要采用创新的方法为这类设备供电，于是出现了能源自主型可穿戴无线传感系统，该系统无需外部电源或频繁更换电池，即可提供持续可靠的监测能力。早期的可穿戴传感器主要侧重于简单的传感功能，如心率、呼吸、身体运动和步数计算，而最近的发展则实现了更复杂的功能（如实时多种生理参数监测、运动跟踪、机器学习增强型脑机接口和环境传感）。 除了这些更先进的传感功能外，还开发了从环境中获取能量的潜力，以便在无线传输数据和信息的同时提供更长时间和更连续的操作。随着物联网、人工智能和 5G/6G 技术的不断发展，可穿戴电子设备将发挥举足轻重的作用，到 2028 年市场价值将达到 1500 亿欧元。9 Balilonda 等人报告说，可穿戴传感器市场正以 18% 的复合年增长率增长，预计到 2026 年市场价值将达到 2654 亿美元。如果能消除或减少可穿戴设备对电池更换的需求，将大大提高其便利性、可用性和可持续性，从而对消费者和行业更具吸引力。

创建能源自主型可穿戴无线传感系统需要集成几个基本模块（图 1）。这些模块包括 (i) 能量收集器、(ii) 储能设备、(iii) 传感器、(iv) 通信模块和 (v) 处理单元。环境能源可从太阳能（有机太阳能电池 (OSC)、过氧化物太阳能电池 (PSC)、染料敏化太阳能电池 (DSSC)）、机械能（压电纳米发电机 (PENG)、三电纳米发电机 (TENG)）或热能等来源采集。传感器在收集周围环境数据方面发挥着至关重要的作用。这些数据来自佩戴者周围的环境条件或佩戴者身体的生理信号。此外，这些数据为健康、生活方式、安全和工作领域的各种应用提供了有关佩戴者状态的有用信息，并为人机界面提供了额外的输入方法。此外，这些来自传感器的数据必须从可穿戴设备传输到外部设备。因此，需要使用通信模块将数据无线传输到外部设备，如智能手机或笔记本电脑，这些设备可以连接到网络，以便进一步处理、存储和分析数据。此外，可穿戴设备通常还需要几个处理单元，以便在数据传输前进行初步数据处理。

人体的特征，如形状、舒适度要求和安全问题，给可穿戴应用无线传感系统的开发带来了挑战。为确保舒适性和可穿戴性，可穿戴设备必须灵活、轻便、透气、生物相容性好，并能与人体轮廓相适应。此外，这些设备还需要坚固可靠的制造技术，以便在保持高性能和功能性的同时实现规模化生产。这就需要探索不同的材料和制造方法，以满足这些要求，并实现系统在人体上的无缝实施。研究人员一直在尝试使用一系列材料和制造技术来开发能量自主可穿戴无线传感系统。其中包括传统聚合物、先进的金属和功能材料，以及光刻、铸造、印刷、化学和机械改性等工艺。虽然这些方法通常能提供令人满意的电气和传感性能，但在日常肢体运动时，佩戴者的舒适度仍是需要克服的挑战。为了制造出真正的可穿戴设备，专家们正在探索先进的纳米制造技术和纺织工程概念，以提高可扩展性。

一种方法是使用纳米制造技术将传感和电学特性整合到纤维和织物中。在这些方法中，电纺丝已成为人体体外和体内应用的可行候选方法。印刷、溅射、旋涂和化学气相沉积等各种技术被用于制造可穿戴电子设备的导电基底。然而，拉伸或弯曲等机械应力的应用会导致微裂缝的形成，从而最终导致电极导电性能的降低。有趣的是，与其他薄膜加工方法相比，电纺丝技术通过创建微/纳米多孔纤维结构，为能量自主可穿戴传感系统的开发提供了诸多优势。它允许多种纤维排列，可针对平面和非对称表面定制孔隙率 ，并具有高表面体积比，可实现可持续制造。它的分子级排列减少了对后处理技术的需求，如在聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物中原位形成压电特性。 与光刻、化学气相沉积和感应耦合等离子刻蚀等其他技术相比，电纺技术更具成本效益和效率，因此成为科学界的合理选择。此外，电纺纳米纤维可以很容易地通过加捻和编织技术形成纱线，然后通过编织、针织或刺绣转换或附着到织物上，使其成为与当前纺织品制造工艺相结合的理想方法。

二、摘要

可穿戴电子设备市场正经历着显著的增长，未来的潜力也越来越大。全世界的研究人员都在积极致力于改进这些设备，特别是开发功能性和可穿戴性兼顾的可穿戴电子设备，以实现商业化。事实证明，电纺丝技术是一种前景广阔的方法，它能利用各种材料制造出具有高表面积、多孔性和良好机械性能的纳米/超细纤维膜，用于人体体外和体内应用。可穿戴电子设备可利用机械、热、蒸发和太阳能收集技术发电，满足未来的能源需求，提供比传统能源更多的选择。本综述全面分析了电纺丝技术如何用于能源自主型可穿戴无线传感系统。综述概述了电纺丝技术、基本机制以及在能量清除、人体生理信号传感、能量存储和数据传输天线方面的应用。综述讨论了如何将可穿戴电子技术与纺织工程相结合，以创造出卓越的可穿戴设备并增加未来的合作机会。此外，还讨论了与使用这些设备对适销对路的产品进行适当测试有关的挑战。

三、结论

总的来说，电纺丝技术为开发佩戴舒适的无线通信系统做出了重大贡献。然而，如前所述，这些设备在 TRL 方面仍需改进。要实现这一目标，必须解决几个难题，包括精确控制电纺丝参数、保持工艺的可重复性以及提高电纺丝纳米纤维的生产速度。电特性已得到证实，并可通过工艺参数、材料和先进方法进一步优化。电纺纱可进行多种配置，在纺织品开发的不同阶段增加功能性，直接生产可用于编织或针织纺织品的纤维和纱线，或用功能化的电纺纤维层修改织物表面。在这一基础层面整合技术，对于未来智能服装的适用性至关重要。另一个主要问题是有害有机溶剂的使用，这可能会对该技术未来的可持续性产生负面影响。为了克服这一挑战，Lv 等人提出了绿色电纺的概念，但要充分发挥其在可持续材料加工方面的潜力，还需要进一步的研究。231 此外，在电纺过程中保持可穿戴电子设备性能和机械性能之间的平衡也很困难。为了提高生产速度，需要探索无针电纺、湿法电纺和吹风电纺等技术。虽然聚合物材料加工有其优势，但提高电纺后导电材料的导电性和耐用性仍是一个持续的挑战。

目前在可扩展性方面面临的挑战要求进一步开展跨学科研究，包括纺织工程、制造商、材料科学、电子和机械工程等领域。可持续性也必须成为设计的核心，尽可能考虑使用可生物降解的材料，并考虑产品的整个生命周期，以减少未来的浪费。在更大规模的研究中进行部署的可行性以及对可穿戴传感技术影响的评估，都需要与数据分析方面的专业知识建立密切联系。可穿戴传感器有可能产生有关人口和环境健康的大量数据。虽然可穿戴设备的准确性与家庭全天候监测的医疗黄金标准相比有一定的差距，但利用机器学习和人工智能等适当的分析工具，还是有可能收集到有价值的健康信息。传感器和智能设备的数量与日俱增，这一研究领域有可能以可持续的方式支持这一持续趋势，并满足未来的能源需求。

图1.能量自主无线传感设备的最新发展实例，包括可穿戴式能量收集、自供电传感、能量存储和通信设备。

 

图2.电纺丝技术的原理和发展。(a) 基本电纺丝装置和 (b) 电纺丝鞭打动作。带旋转的无针电纺丝：(c) 圆筒、(d) 盘、(e) 球和 (f) 螺旋技术。

 

图3.机械能收集技术的原理和工作机制。(a) TENG 示意图和主要工作模式；(b) PENG 的工作机制。

 

图4.将电纺丝单层和双层三电层改性用于能量收集应用。(a) PI 纳米纤维和铝基 TENG 的示意图。(b) 0 转/分钟和 4000 转/分钟旋转收集器纳米纤维（(i)-(iii)）的有序电纺样品示意图和 SEM 图像。

 

图5.基于电纺丝改性 PENG 的能量收集装置。(a) MWCNT 负载 PENG 器件电气性能表征示意图。(b) 基于人体肌肉的电纺导电和压电层 TENG 器件：电极制备过程（i）和智能织物制造示意图（ii）。(c) 含 PU/AgNW 和 PU/P(VDF-TRFE)的复合电纺 PENG 器件：同时电纺 PU 和 Ag 纳米线 (i) 和最终器件的 SEM 图像 (ii)。 (d) 无针电纺产生三维海绵结构。

 

图6.基于电纺改性 PENG 的自供电传感器，用于检测人体运动和生理信号。(a) 基于高性能压电复合材料的 PENG 传感器：集成到智能鞋垫中的示意图（i）以及步态监测（ii）、姿势异常（iii）和跖骨痛并发症预后（iv）的识别。(b) 用于实时监测的传感-转换耦合压电纺织品：紧握(i)、微笑(ii)、皱眉(iii)和呼吸监测(iv)。(c) 基于 PENG 的电纺 PVDF/ZnO 核壳纳米纤维：示意图和肌肉行为监测 (i)、制造过程 (ii)、呼吸监测 (iii)、腕部脉搏监测 (iv)、确定 3 个峰值的扩展脉搏 (v) 以及开发的传感器系统示意图 (vi)。

 

图7.电纺丝改性太阳能收集装置和 DSSC 示例。(a) DSSC 示意图。(b) PSC 示意图。(c) 基于 ZnO 和 TiO2 的 DSSC 器件的电流密度和电压图。(d) 已开发的光伏器件(i)、折叠(ii)和扭曲(iii)以形成 MoS2/TiC/C 纳米纤维薄膜纱线图像的电流密度和电压图。(e) 基于电纺 PVDF-HFP 的 DSSC 的示意图 (i) 和电流密度与电压图 (ii)。

图8.利用 OSC 和 PSC 器件实例对表面进行电纺丝修饰。(a) 同轴电纺丝技术用于生产太阳能电池的 p-n 结。(b) 利用电纺丝工艺制成的柔性太阳能纱线：制造示意图（ii）和最终设计结构（ii）。(c) 用于 SEHG 针织物制造的无铅磷灰石纱线开发：开发的纱线示意图 (i) 和基于太阳能纱线的针织物的 PCE 和功率密度 (ii)。(d) 基于三轴纳米纤维的过氧化物太阳能电池示意图。