摩擦纳米发电机由王中林小组于2012年在国际上*先发明，目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一项颠覆性的技术并具有****的输出性能和优点，近些年来，其理论体系和应用技术都发展迅速。《摩擦纳米发电机理论与技术》系列全面涵盖了摩擦纳米发电机的系统理论及其带来的快速发展的各个领域的技术应用总结。《摩擦纳米发电机理论与技术 第2卷：微纳能源》共4卷、53章。第1卷主要介绍其理论与技术基础，第2卷展现了其在微纳能源领域的尖端应用，第3卷主要介绍其在收集蓝色能量、环境能量方面的前沿应用，第4卷主要介绍其作为传感器与高压电源的前沿应用。这些应用领域涉及能源、环境、医疗植入、人工智能、可穿戴电子设备及物联网等众多方向。本分册涵盖第2卷内容。

目录
前言
第17章 用于植入式医疗的摩擦纳米发电机 1
17.1 引言 1
17.2 植入式医疗中摩擦纳米发电机的特点 3
17.3 应用 4
17.3.1 生物力学能量采集 4
17.3.2 生理信号采集 7
17.3.3 电刺激治疗 13
17.4 结论 18
参考文献 19
第18章 用于医疗的摩擦纳米发电机 24
18.1 引言 24
18.2 可穿戴摩擦纳米发电机 26
18.2.1 生理信号监测 26
18.2.2 治疗 33
18.2.3 电源 41
18.3 植入式摩擦纳米发电机 47
18.3.1 生物监测 47
18.3.2 治疗学 50
18.3.3 电源 55
18.4 结论 58
参考文献 59
第19章 用于可穿戴电子产品的摩擦纳米发电机 63
19.1 引言 63
19.2 摩擦电纺织品 66
19.3 摩擦电织物和纱线的对比 67
19.4 摩擦电纱线的制备 70
19.5 提高摩擦电纱线输出功率的策略 71
19.6 静电纺丝法制备摩擦电纤维 72
19.7 摩擦电纱线的导电芯纱 74
19.8 摩擦电纱线—案例研究 76
19.9 结论 78
参考文献 78
第20章 用于交通运输领域的摩擦纳米发电机 84
20.1 引言 84
20.2 智能交通运输系统中的摩擦纳米发电机 85
20.2.1 陆路交通运输中的摩擦纳米发电机 85
20.2.2 水路交通运输中的摩擦纳米发电机 96
20.2.3 航空交通运输中的摩擦纳米发电机 103
20.3 结论 105
参考文献 106
第21章 用于信息安全与身份识别的摩擦纳米发电机 110
21.1 引言 110
21.2 摩擦纳米发电机应用于信息安全 113
21.2.1 用于信息安全的摩擦纳米发电机编码技术 113
21.2.2 用于信息安全的摩擦纳米发电机传感技术 118
21.3 摩擦纳米发电机应用于身份识别 125
21.3.1 基于摩擦纳米发电机的模拟识别技术 125
21.3.2 基于摩擦纳米发电机的数字识别技术 128
21.4 基于摩擦纳米发电机的单片全集成智能微系统应用于信息安全与身份识别
134
21.5 结论 138
参考文献 139
第22章 用于物联网的摩擦纳米发电机 143
22.1 引言 143
22.1.1 物联网 143
22.1.2 摩擦纳米发电机作为物联网传感器 144
22.2 摩擦纳米发电机在物联网中的应用 145
22.2.1 智能家居 145
22.2.2 人机交互 152
22.2.3 无线供电和通信 160
22.2.4 远程医疗 162
22.3 摩擦纳米发电机在物联网中应用的挑战 162
22.4 结论 163
参考文献 163
第23章 摩擦纳米发电机与自驱动电化学 168
23.1 引言 168
23.2 基本模式和理论 169
23.2.1 自驱动电解 169
23.2.2 自驱动阴极保护 170
23.2.3 自驱动阳极氧化 171
23.3 自驱动电化学的应用 172
23.3.1 自驱动电解水和海水淡化 172
23.3.2 自驱动污水处理 174
23.3.3 自驱动金属表面腐蚀防护 176
23.3.4 自驱动空气净化 177
23.3.5 自驱动电化学阳极氧化 178
23.4 结论 180
参考文献 180
第24章 用于自充电电源包的摩擦纳米发电机 183
24.1 引言 183
24.2 用于自充电电源包的摩擦纳米发电机 184
24.2.1 生物力学能量收集方向的应用 184
24.2.2 风能收集方向的应用 188
24.2.3 蓝色能源收集方向的应用 189
24.2.4 雨滴能收集方向的应用 191
24.3 自充电电源包的混合能量收集 194
24.3.1 摩擦纳米发电机与另一种能量收集装置集成用于自充电电源包 194
24.3.2 集成多个能量收集设备的摩擦纳米发电机用于自充电电源包 196
24.4 能量管理电路 197
24.4.1 AC-DC转换 197
24.4.2 迟滞开关 198
24.4.3 DC-DC转换 198
24.5 自充电电源包的储能装置 199
24.5.1 储能超级电容器 200
24.5.2 储能电池 200
24.6 结论与展望 202
参考文献 203
第25章 纤维/织物基摩擦纳米发电机 209
25.1 引言 209
25.2 织物基摩擦纳米发电机的分类 210
25.3 纤维/织物基摩擦纳米发电机的材料要求 211
25.4 纤维基摩擦纳米发电机 211
25.4.1 同轴纤维摩擦纳米发电机 212
25.4.2 扭*纤维摩擦纳米发电机 218
25.4.3 平行纤维摩擦纳米发电机 220
25.4.4 纤维基摩擦纳米发电机的大规模生产 220
25.5 织物基摩擦纳米发电机 223
25.5.1 二维交织摩擦纳米发电机 224
25.5.2 三维交织摩擦纳米发电机 225
25.5.3 多层堆叠织物摩擦纳米发电机 229
25.5.4 织物基摩擦纳米发电机的应用 232
25.6 基于3D打印的纤维/织物基摩擦纳米发电机 234
25.7 纺织品摩擦纳米发电机关注热点 237
25.8 结论 239
参考文献 239
第26章 纸基摩擦纳米发电机 243
26.1 引言 243
26.2 P-TENG的处理方法 244
26.2.1 激光图案化沉积导电材料 244
26.2.2 丝网印刷 245
26.2.3 柔性电极沉积技术 245
26.2.4 表面形态工程 247
26.2.5 化学改性 248
26.3 P-TENG的几何设计 248
26.3.1 一维图案 248
26.3.2 二维图案 250
26.3.3 三维图案 251
26.4 P-TENG的应用 252
26.4.1 自供电传感器 252
26.4.2 人机交互 255
26.4.3 自供电电化学 255
26.4.4 能量收集 258
26.5 结论 260
参考文献 260
第27章 摩擦纳米发电机输出能量的电源管理 264
27.1 引言 264
27.2 脉冲式摩擦纳米发电机 265
27.2.1 结构和输出特性 265
27.2.2 等效电路和内部等效阻抗 266
27.3 不同工作模式的脉冲式摩擦纳米发电机 268
27.3.1 基于机械开关的脉冲式摩擦纳米发电机 268
27.3.2 基于静电振动开关的脉冲式摩擦纳米发电机 272
27.3.3 基于空气放电开关的脉冲式摩擦纳米发电机 273
27.3.4 基于电子开关的脉冲式摩擦纳米发电机 276
27.4 摩擦纳米发电机的电源管理电路 276
27.4.1 摩擦纳米发电机的电容转换电路 276
27.4.2 摩擦纳米发电机的电磁电压转换电路 281
27.4.3 摩擦纳米发电机带有源电子开关的电源管理电路 284
27.4.4 脉冲式摩擦纳米发电机的无源电源管理电路 289
27.5 计算电源管理电路的能量存储效率的标准方法 293
27.6 结论 296
参考文献 297
第28章 用于体育领域的摩擦纳米发电机 299
28.1 引言 299
28.2 智能体育设施 300
28.3 可穿戴体育运动设备 302
28.4 体育运动训练与监测系统 305
28.5 摩擦纳米发电机用于体能测试 307
28.6 机器学习用于体育运动 309
28.7 大数据分析用于体育运动 310
28.8 未来发展方向 310
28.9 结论 311
参考文献 312
第29章 基于摩擦纳米发电机的液固界面探针 315
29.1 引言 315
29.2 基本原理 316
29.3 摩擦纳米发电机探针 317
29.3.1 阵列式摩擦纳米发电机探针 318
29.3.2 扫描型摩擦纳米发电机探针 318
29.4 基于原子力显微镜的摩擦纳米发电机探针 319
29.5 应用 321
29.6 结论 322
参考文献 323
第30章 摩擦纳米发电机的机械系统 324
30.1 引言 324
30.2 摩擦纳米发电机的运动学和振动系统 326
30.2.1 摩擦纳米发电机的运动学系统 326
30.2.2 振动理论 347
30.3 结论 365
参考文献 366

第17章用于植入式医疗的摩擦纳米发电机
　　第17章用于植入式医疗的摩擦纳米发电机
　　摘要
　　植入式医疗电子设备的电池寿命有限，难以为患者提供长期、不间断的监测和治疗。植入式摩擦纳米发电机（iTENG）可以收集体内的心跳、呼吸、肌肉运动等能量并将其转化为电能，解决了植入式医疗电子设备电池寿命有限的问题。本章介绍了植入式医疗中iTENG的特点，并从生物力学能量采集、生理信号采集、电刺激治疗三个方面综述了iTENG在植入式医疗电子设备中的应用。*后从能量收集、储存管理以及植入物的长期生物相容性等方面，对基于iTENG的植入式医疗电子设备的未来发展进行展望。
　　17.1引言
　　临床上，植入式医疗电子设备主要用于疾病的预防、监测和治疗以及提高监测和治疗的效率。20世纪以来，随着材料、力学、电子学的发展，具有柔性、良好的形状适应性以及优异的生物相容性的植入式医疗电子设备已逐渐被开发，并应用于临床诊断和治疗。虽然植入式医疗电子设备的应用极大地提高了患者的生活和工作质量，但有限的电池寿命是一个无法回避的问题，这极大地限制了植入式医疗电子设备的发展[1]。目前，临床诊疗中使用的植入式医疗电子设备的电池寿命短，患者往往需要进行第二次手术来更换电池，这将导致患者出现依从性差、易感染等问题。因此，需要一种可持续供应能量的植入式医疗电子设备，以保证对患者进行长期、连续的监测和治疗。除此之外，更大的挑战在于体内环境的复杂性，如流动的体液、众多交错的血管和神经，以及形状不规则的各种器官和组织。植入式医疗电子设备不仅需要适应人体的特点，克服植入环境的困难，还需要满足对人体安全无害的要求[2]。*先，设备所用材料应尽可能对人体无害，即材料需具有良好的生物相容性，以减少长期稳定植入后炎症的发生。此外，还需要努力减少甚至消除器件植入后患者的不适感。
　　2012年，Wang发明了摩擦纳米发电机（TENG），解决了电池寿命问题[3]。基于摩擦起电和静电感应耦合原理，TENG可以收集小规模的机械能，并将其转化为电能，为依赖于电的设备或系统持续供电。TENG可用于获取自然界中摩擦[3]、水流[4]、波浪[5]、振动[3]、风[6]以及生物呼吸[7]、肌肉收缩[8]、心脏跳动[9]，甚至声音的能量。与热电发电机（TEG）、热释电发电机（PEG）、生物燃料电池（BFC）、水伏发电机（HEG）相比，TENG具有制造简单、材料选择广泛、形状结构多样、能量转换效率高、稳定性好、自驱动、参数可控、体积小、柔性、成本低、安全等优点（图17.1）[10]。适用于体内植入的轻便、柔性、灵敏和高效的TENG在自驱动技术中脱颖而出。可靠的封装技术使设备可以在液体环境中应用，柔性材料可以高度适应器官和组织的不规则形状与运动，与可降解材料集成的瞬态电子器件可以在体内进行生物降解，既环保又避免二次手术。因此，基于TENG的电子设备的发展为植入式自驱动医疗设备的设计和制造提供了可行的解决方案[11]。目前，基于集成式TENG已开发出许多自驱动植入式医疗设备，如共生型起搏器[9]、自驱动心血管电子设备[1]、成骨细胞增殖刺激器[12]、脊髓刺激器[13]、自驱动生物传感器[14]、压力传感器[15]等。
　　图17.1人体能量的来源和分布及适用的能量收集技术[10]
　　本章主要介绍了TENG在植入式医疗电子设备中的应用。围绕植入式TENG的特点，详细介绍了iTENG在生物力学能量采集、生理信号采集以及电刺激治疗等方面的应用。*后，展望了TENG在植入式医疗设备中的发展方向和挑战。
　　17.2植入式医疗中摩擦纳米发电机的特点
　　摩擦起电是一种众所周知的现象。它是由接触引发的带电效应，即接触的两种不同材料在分离后会在材料表面携带电量相等且电性相反的电荷，并在背面电极处产生感应电位。由于电负性的差异，电负性越强的材料往往会保留多余的电子，而电负性越弱的材料往往会失去电子，从而在材料表面产生摩擦电荷[16]。当外部负载接通后，感应电位带动电荷流动，平衡电位差，形成电流。基于上述原理，现有的TENG分为四种基本类型，分别是垂直接触分离模式（图17.2）、水平滑动模式、单电极模式和*立层模式[17]。其中，垂直接触分离模式和水平滑动模式常用于收集人体生命活动过程中体内产生的机械能，并将其转化为电能，用于设备供电（起搏器）、生理信号（心率、血压、呼吸等）监测以及电刺激治疗（组织修复、功能调节、抗菌等）。
　　图17.2具有龙骨海绵结构的多层TENG及表面经过修饰的摩擦层的示意图[11]
　　能够实现这些功能的iTENG具有以下特点。
　　（1）生物相容性。一般来说，植入式医疗电子设备与生物体的相容性较高，这取决于材料的固有性质，如成分、亲水性以及材料聚合和制备过程中低分子量残留物和降解产物等[16，18]。基于iTENG的植入式医疗电子设备在短期（数天）和长期（数周）植入时需要具有良好的生物相容性，即通过生化和病理检查检测到器件对邻近组织和生理系统无毒性或不相容性。iTENG不会引起炎症或对身体造成伤害[19，20]。目前，具有良好生物相容性的iTENG常以基于天然高分子（丝素蛋白[21，22]、蚕丝[23]）和合成聚合物［聚乙烯醇（PVA）[24]、聚左旋乳酸（PLLA）[25]］的材料作为摩擦层/电极层/封装层。
　　（2）密封封装。封装层是植入式医疗电子设备的重要组成部分。在体内，iTENG无论是用于能量收集还是信号采集，都不可避免地要暴露于复杂的组织微环境中。这就要求iTENG需要处于高度密封的环境中，以确保内部结构不受体液（如血液和组织液）的污染和腐蚀。此外，封装层的材料也需具有生物相容性，在不影响器件本身功能的情况下，尽量不增加器件的原始尺寸。近期研究中常用的封装材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）[26]、聚四氟乙烯（PTFE）[9]和聚酰亚胺（PI）[27]，这是因为它们具有良好的防腐效果，使体液难以渗透。
　　（3）小型化。为了避免复杂而大型的外科手术，基于iTENG的植入式医疗电子设备往往需要具备体积小的特点。同时，设备的尺寸也需要根据植入部位进行调整，避免影响组织/器官的正常功能。随着纳米技术、微电子和生物医学系统的进步与结合，iTENG能够在小尺寸下产生高输出，以满足治疗和监测的电能需求，并且对植入部位的正常功能几乎无影响。例如，已经制造出的共生型起搏器的尺寸为39mm×61mm×0.99mm。在不影响心脏正常跳动的情况下，从每个心脏跳动周期所获得的能量高于心内膜起搏所需的阈值能量（0.377μJ）[9]。
　　（4）柔性。柔性是iTENG的另一个显著特点。柔性iTENG可以适应人体各个部位的不规则形状和运动。柔性电子器件可与生物组织形成紧密接触，实现高精度检测，并且不会对生物组织造成损伤。人们发现许多材料具有优异的拉伸性和柔韧性。常用于摩擦层的柔性材料包括PTFE[27，28]，PDMS[9，29]、PVA[30]、聚硫弹性体[31]等。封装层使用的材料大多与摩擦层相同，如PTFE[28]、PI[27]和PLGA[32]。电极层主要为金属材料，包括镁（Mg）[30]、铝（Al）[29]、铜（Cu）[33]、金（Au）[32]。
　　（5）可降解性。可降解材料的使用成功地实现了瞬态电子器件的制备。在体内环境中，这些装置可自行逐渐降解，降解产物可被人体吸收或通过代谢排出体外，避免了人体去除装置时的二次手术损伤。iTENG所用的可降解材料来源广泛，主要来自基于动物、植物的可降解材料以及人工可降解材料，这将有效避免金属和难降解塑料带来的污染和危害[34]。使用丝素蛋白[21，22]、乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）[30]、聚己内酯（PCL）[30]和蚕丝[23]等材料所制备的植入式医疗器件均表现出良好的可降解性。
　　17.3应用
　　TENG可以从人体及其周围环境中收集机械能，并将其转化为电能，为电子设备供电[35]。它具有形状可调、参数可控、体积小、生物相容性好、输出信号强、灵敏度高、成本低、简单易获取等特点[36-39]。利用这些优异的特性已经设计和开发出众多植入式医疗电子设备，如生理信号传感器[40]、用于组织修复[41]和细胞调节[42]的刺激器以及心脏起搏器[28]。基于TENG的植入式医疗电子设备的发展，无疑为疾病监测和诊疗提供了可行的解决方案。接下来将主要介绍TENG在植入式医疗电子设备中的应用（图17.3）。
　　17.3.1生物力学能量采集
　　在日常工作和生活中，人体会产生大量的机械能，如走路[43]、呼吸[44]、心跳[45]等，而这些机械能并没有得到合理的利用。TENG可以利用这些被忽视的能量，解决植入式医疗电子设备的能源供应问题。在过去的几十年中，TENG在植入式生物电子学领域的应用取得了巨大的进步。根据不同植入部位和装置的能量供应需求，研究人员开发出具有多种结构、模式和材料组成的TENG，将人体运动和维持生命活动所产生的微小机械能转化为装置所需的电能。表17.1总结了基于TENG的植入式能量收集装置在不同植入部位的输出情况。
　　*典型的应用是人工心脏起搏器。人工心脏起搏器是一种广泛应用于临床的植入式医疗电子设备，它通过发出有规律的电脉冲来恢复心脏的节律性收缩。心脏起搏器中的电池寿命决定了设备的寿命。常规的电池更换手术不仅增加了患者的痛苦和经济负担，而且不可避免地增加了心脏组织感染、动脉穿刺甚至潜在死亡等并发症的风险[47]。因此，植入式医疗器械需要符合小型、柔性、生物相容性等要求。为了解决这个问题，研究人员开发了各种能量收集策略，将来自器官的生物机械能（心跳和呼吸）转化为电能，为起搏器提供动力（图17.4）。例如，Zheng等[29]设计了一种由柔性TENG驱动的起搏器，其将大鼠呼吸引起的膈肌周期性活动所产生的能量转化为电能［图17.5（a）］。TENG由一层薄薄的Kapton基底、铝箔和金膜组成。整个装置用具有生物相容性的PDMS封装，其可以将TENG与周围介质隔离，提高稳定性。将总尺寸为1.2cm×1.2cm的iTENG植入大鼠左胸皮肤下，测得电压和电流信号幅值分别为3.73V和0.14μA。实验已经证明，大鼠呼吸产生的能量可以直接用来驱动起搏器，从而调节心跳。然而，大鼠产生的能量远远少于人体所需的能量。因此，Ouyang等[9]将iTENG与商用心脏起搏器结合，设计了一种完全可植入的共生型起搏器（SPM）。iTENG采用弹性海绵作为垫片，记忆合金胶带（高弹性钛）作为龙骨结构［图17.5（b）］。为了增强iTENG的结构稳定性，以及减少环境液体对设备的损伤，iTENG完全由柔性特氟龙薄膜和PDMS层封装。同时，将共生型起搏器植入大型动物猪体内，证明了SPM矫正窦性心律失常和预防疾病进展的能力。
　　图17.4用于构建自驱动植入式心血管电子设备的植入式TENG的进化[1]
　　图17.5基于iTENG的植入式生物力学能量收集装置：（a）基于iTENG的装置将大鼠膈肌的周期性活动（呼吸）所产生的能量转化为电能，为起搏器供电[29]；（b）基于iTENG的SPM将心跳产生的机械能转化为起搏器调节心律所需的电能[9]；（c）通过重力惯性设计的iTENG将大鼠运动所产生的能量采集后转化为电能驱动起搏器[48]
　　此外，一些研究人员利用重力惯性设计了一种基于胺功能化的聚乙烯醇（PVA-NH2）和全氟烷氧基（PFA）的接触分离式摩擦纳米发电机［图17.5（c）］[48]。该装置利用堆叠分布实现电流波形的叠加，植入大鼠体内可在24h内产生约144mW的电能。当心率低于正常水平时，iTENG产生的电能可稳定驱动起搏器并调节心率。然而，如果要设计用于中短期生物医学应用的植入式生物医疗器件，生物降解性能是一个需要考虑的重要因素。例如，Zheng等[30]报道了一种由PLGA、PHV/B、PVA、PCL和