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4卷：传感与高压电源》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 4卷内容。

第42章用于植入式医疗的摩擦纳米发电机
　　摘要
　　检测体内生理信号对于实施和预测身体运动、实现身体感知与环境互动、提供心理护理以及进行多种疾病的诊断和治疗至关重要。目前，可植入传感器主要基于机械、化学和电气系统，通常具有复杂的结构、刚性电池组件且寿命有限。这些设备通常庞大而笨重，且在生物相容性和生物安全性方面存在一定的隐患。植入式摩擦纳米发电机（implantable triboelectric nanogenerator，i-TENG）具备*特的能力，可以收集生物机械能量并生成包含丰富生理信息的电信号。常见的摩擦起电效应和多样化的材料选择使得无需电池的自供能植入式传感器成为可能，且这类自供能器件具有优秀的生物相容性、柔韧性以及其他与生物体组织相似的特性。迄今为止，i-TENG在许多生物系统中已经展示出卓越的传感性能。因此，本章主要概述了*有代表性的作为植入式传感器的基于柔性薄膜的i-TENG。本章*先介绍摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）的生物机械传感和工作原理，然后讨论TENG器件在异物反应（foreign body reaction，FBR）下的植入可行性。接着，本章节重点讨论如何通过i-TENG检测各种生物系统中的运动学和动力学信号（如速度、节奏、压力和速度）来进行健康监测和疾病诊断，并涵盖了心脏、呼吸、泌尿、胃肠、血管和神经系统等多个领域的研究进展。*后，本章提供简要总结，同时指出在i-TENG基础传感检测系统中的关键挑战和未来研究方向。
　　42.1引言
　　自1958年起搏器*次临床植入以来，植入式医疗器械（implantable medicaldevices，IMD）经历了快速发展[1，2]，其应用范围不断扩大，如植入式心律转复除颤器（implantable cardioverter defibrillator，ICD）、心脏支架、人工心脏等。瓣膜、人工耳蜗、神经刺激器等IMD现在非常普遍。在工业化国家，17个人中就有1人已植入某种形式的医疗设备，这个比例在美国更高，达到10%[3]。植入式传感器是IMD的一种主要类型，其具有实时、连续地从身体提取全面生理信息的强大功能。通过多维参数（如运动学、动力学和化学）对生理状态的精确评估可以实现对许多慢性和高发疾病的精确诊断、治疗和管理[4]。毫无疑问，随着对个人医疗保健和即时治疗的需求，植入式传感器在现代社会中发挥着越来越重要的维持/改善/拯救生命的作用。
　　尽管通过多种功能模块的有效集成，植入式传感器实现了多目标监测、无线传输等先进功能，但与人体的机械和生物兼容性是稳定且可靠运行的*关键因素。到目前为止，大多数植入式传感器都需要电力来运行，因此电池是主流电源[5]。例如，心脏起搏器使用自放电率低、电压可预测的锂碘电池[6-8]。电池技术仍然限制着植入式传感器向更小、更轻、更安全、更柔软、更耐用的方向发展，以与生物体能够良好地兼容。特别是，为了实现相当长的使用寿命（例如，起搏器的使用寿命为7～14年），刚性电池占整个设备重量和体积的80%[5，9]，这使得植入式传感器体积庞大、沉重且坚硬。一旦电池电流降至临界水平以下，就必须执行回收程序来更换电池，从而给患者带来额外的痛苦（炎症、感染和其他并发症）和复杂性。由于电池耗尽，超过50%的植入起搏器的患者至少需要通过侵入性手术更换一次电池，这使患者面临危及生命的感染等并发症（1%～5%的发生率）风险[10，11]。电池类型的缺点还包括突然故障和失效（例如，高达2.4%的植入式无引线起搏器）[12]，对诊断磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的致命干扰，以及生物相容性受损。因此，开发无电池植入式设备对于下一代植入式传感器至关重要。
　　纳米发电机（nanogenerator，NG）是一种基于机电材料构建的装置，根据压电或摩擦电原理工作[13-16]。尽管发展历史较短，但它很快就成为一种从周围环境中有效获取机械能的策略[17-22]。与生物燃料电池和热电等其他能量收集技术相比，NG具有卓越的能量转换效率、更简单的配置，由于材料选择范围广泛，因此可以制成非常小的尺寸，具有高灵活性和柔软度。特别是TENG，*新报道的TENG从周围环境收集机械能，能量转换效率可高达80%，输出功率从纳瓦到瓦量级[23]。鉴于人体具有丰富且易于获取的动能，并且大多数植入设备的功耗适中（从传感器节点的0.1.W到药物泵的超过10mW）[24，25]，TENG采集生物机械能可以代替电池来实现自供电的植入系统。事实上，NG技术十多年来的发展使得*近的i-TENG能够从常规身体机械能量收集中产生稳定的大于3V的输出电压，这足以为小型IMD供电，如起搏器和心脏除颤器[26，27]。此外，i-TENG已被直接证明为无电池植入式传感器。消除电池组件使i-TENG变得柔软、灵活且具有组织相似的机械性能，从而能够贴合组织和器官。因此，i-TENG的电输出高度依赖于生物机械状态的实质特征（如频率、强度、持续时间和延迟），使其能够在一定范围内实时监测重要的生理信号和身体状态。可以通过破译所收集的i-TENG产生的电压信号来获得多种生理信号，包括呼吸模式、心率、血管血流动力学等[28，29]。
　　因此，在本章中，我们概述在生物传感应用中*具代表性的柔性i-TENG。*先简单介绍生物力学、生物力学传感和TENG的工作原理和背景。然后通过讨论FBR过程来分析TENG植入的可行性，特别是长期的生物相容性和生物安全性。本章将论述i-TENG在生物系统中的传感应用，尤其是对心脏、呼吸、血管、胃、泌尿和神经系统中的速率、节律、压力和速度等运动学和动力学参数的检测和监测。*后将从生物学和器件方面审视i-TENG在临床转化方面面临的挑战和提出潜在解决方案，并指出i-TENG未来发展的其他可能的研究方向，以及对本章进行简要总结。
　　42.2生物力学和摩擦纳米发电机
　　42.2.1生物力学
　　对于生物系统来说，机械效应是广泛的，可以存在于多个层面上，从分子和细胞一直到组织、器官和系统。生物力学研究生物系统力学方面的结构、功能和运动，以及机械对人体运动、尺寸、形状和结构的影响[30，31]。目前，生物力学研究主要集中在运动学和动力学方面。运动学描述点、物体和物体系统（物体组）的运动，而不考虑导致它们移动的力[32]。以人体关节为例，运动学研究运动轨迹、速度、加速度、关节角度和角速度。同样，头部、手、手臂、腿、血管和其他内部器官（如心脏、肺、隔膜等）的运动都是运动学研究感兴趣的。运动学知识对于疾病的正确诊断和治疗以及具有恢复功能的生物医学设备的设计至关重要。精确、连续的人体运动监测提供生物反馈，通过肢体语言反映可能的情绪，如抱怨和愤怒等，有助于促进聋哑人的心理护理。另一个重要的分支是动力学，涉及运动及其原因，特别是力和扭矩[33]。动力学研究运动及其背后的刺激。例如，在肌肉骨骼系统中，动力学通过使用力测量设施来分析肌肉力和肌肉激活，以加速肌肉疾病患者的康复。虽然作用在生物体上的力可以产生运动，是对生长和发育有益的刺激，但它也会使组织超载，导致损伤和伤害。因此，了解生物系统的动力学对其健康至关重要。
　　传感生物力学通常涉及对各种类型线索（如接触、压力、力、应变、流动、振动、加速度和方向性）信息的检索与传输[34，35]。这对于实现运动、更好地与环境交互、诊断疾病并启动相应的治疗至关重要。到目前为止，可以通过多种技术以不同的精度检测运动。身体部位的运动是通过机械、磁力、光学和惯性系统来测量的。例如，使用脉冲或连续波多普勒超声，可以根据超声波的多普勒频移精确测量特定位置的血流速度[36]。这种非侵入性方法已广泛应用于评估通过心脏瓣膜的血流动力学[37]。身体的微小运动，例如心动周期引起的皮肤振动，也可以通过光学设备（如激光多普勒振动计）进行检查[38]。相反，落地式测力台、测力计和便携式压力传感器可以精确测量动力学参数。在生物医学中，还可以通过肌电图（EMG）获得肌肉激活和力量的详细测量。体内的压力也是可评估的。例如，可以通过经导管技术测量器官内部的压力，例如，通过压力-容积环导管测量心脏系统的心内膜压力。生物力学传感主要是通过重型设备/设施进行的。尽管精确，但它们仅能在诊所按规定的时间间隔提供间歇性监测，这对于持续检测并发症和预防疾病仍然是不够且无效的。此外，基于半导体和金属箔的传统可穿戴生物力学传感器具有高刚性、低灵敏度和复杂的电路，确实不适合与人体连接。特别是，在监测内脏器官的生物力学行为时，缺乏具有生物相容性、生物安全性的可靠植入式传感装置是一个关键问题。
　　42.2.2生物机械能
　　人体是一个丰富的能量来源，平均储存的能量相当于1000kg3V电池[39，40]。各种形式的运动产生的生物机械能是体内*容易获得、*丰富的能量之一，如足部着地、关节运动、上半身的重心（centerofgravity，COG）运动等。一般人举臂产生的功率可达60W；当人以正常速度行走时，大约可提供67W的功率；一些剧烈的锻炼甚至可以提供500～1000W的机械能[41]。这些能量比电子设备中的电池提供的能量要大。与电池的稳定输出相比，由于运动强度的变化，机械能可能有很大不同，但仍有心跳、呼吸等不自主运动能够持续输出稳定的能量。一个完整的心跳周期提供约0.7J的机械能或0.93W的平均功率。人类心脏在一生中平均跳动超过25亿次[11]。类似地，一个成年人平均每分钟12～16次的正常呼吸频率可以提供高达瓦特级别的功率，一生总共可以累积6亿个呼吸周期，这表明呼吸能够提供大量的机械能量[42]。
　　与呼吸相关的机械能之前已得到充分研究，本章在此举例说明[43]。实证研究结果显示，呼吸所消耗的机械能中，63%克服弹力，29%与空气阻力有关，剩下的8%使组织变形。假设合理的呼吸量为6L，频率为每分钟15次，则可以估计，一般成年人在静息状态下的呼吸可产生约80mW的功率[43]。在正常活动下每分钟吸入30L空气，功率值可达到约1W[41]。沉重而快速的呼吸甚至可以产生高达44W的机械功率（假设频率为每分钟30次，个人可以进行的*大通气量为每分钟150L）[43]。
　　如前所述，如果考虑到常见IMD的能耗，则生物机械运动可提供相当大的功率。具体来说，大多数植入式传感器节点的功耗为纳瓦或微瓦级别。大多数其他IMD仅需要微瓦至毫瓦范围内的电源（例如，起搏器为5～10.W，ICD约为100.W）[9]。因此，身体运动产生的能量足以满足IMD的运行，从而实现完全消除电池组件的自供电能力。
　　42.2.3摩擦纳米发电机和可植入器件
　　*近TENG的发展为机械能的收集和利用提供了许多新机会。正如本书前文详细介绍的，这里我们将跳过TENG的机制和工作模式的讨论。作为一种用于传感检测和其他治疗的可植入生物医学设备，TENG非常适用于生物运动响应、将生物力学能量转化为电信号。由于无需电池，TENG能够实现轻便、微型化和薄膜状，从而允许*小侵入/非侵入的植入程序。与此同时，由聚合材料和生物材料制成的组件为TENG设备带来了柔软性、灵活性和其他组织仿生特性，使其能够与人体无缝集成而不会引起显著负担或触发不良效应。由于生物组织和器官通常具有非平坦的几何形状和*特的运动模式，因此TENG需要被设计为特定构型以对生物力学运动进行敏感响应。虽然TENG的构型包括各种模式，但在植入系统中，由于其简单的结构和*小的空间需求，接触分离（contact-separation，CS）模式是*常见的模式。大多数用于收集生物力学能量的TENG都被指定为一个贴片，可以附在心房/心室表面或插入心尖下方。早期的植入式TENG采用了带有单层包装的平面摩擦电薄膜。然而，平面片状的几何形状无法完全贴附在柔软而具有*率的组织表面。同时，50.m的单层聚二甲基硅氧

目录
前言
第42章 用于植入式医疗的摩擦纳米发电机 1
42.1 引言 1
42.2 生物力学和摩擦纳米发电机 3
42.2.1 生物力学 3
42.2.2 生物机械能 4
42.2.3 摩擦纳米发电机和可植入器件 4
42.3 可植入性分析 5
42.3.1 异物反应 5
42.3.2 耐用的软封装材料 6
42.3.3 长期生物相容性和生物安全性 8
42.4 生物传感 11
42.4.1 心血管系统传感检测 12
42.4.2 呼吸系统传感检测 16
42.4.3 泌尿系统传感检测 21
42.4.4 血管系统传感检测 22
42.4.5 胃肠系统传感检测 24
42.4.6 神经系统传感检测 26
42.5 可降解的临时器件 27
42.6 临床应用前景 30
42.6.1 重要生物方面挑战 30
42.6.2 重要器件方面挑战 31
42.6.3 未来研究方向 33
42.7 总结 34
参考文献 34
第43章 摩擦电器件在可穿戴传感设备方面的应用 40
43.1 引言 40
43.2 概述 41
43.3 用于摩擦电可穿戴传感器的先进材料 44
43.3.1 高分子 44
43.3.2 碳基二维材料 46
43.3.3 导电水凝胶 47
43.3.4 织物 48
43.4 摩擦电器件作为多种类型的可穿戴传感设备 51
43.4.1 摩擦电器件作为助听器/眼镜/面罩 51
43.4.2 摩擦电器件作为腰带/手腕/手指/手套传感器 54
43.4.3 摩擦电器件作为外骨骼/鞋子/鞋垫/袜子 62
43.4.4 基于摩擦电机制的化学传感器 65
43.4.5 摩擦电可穿戴传感系统 67
43.5 集成人工智能的大规模摩擦电传感装置 69
43.6 总结 73
参考文献 74
第44章 用于触觉传感和人工智能的摩擦纳米发电机 80
44.1 引言 80
44.2 摩擦纳米发电机触觉矩阵 81
44.2.1 基于摩擦电效应的触觉矩阵 81
44.2.2 基于摩擦电子学的触觉矩阵 84
44.2.3 双模态触觉矩阵 86
44.3 单电极触摸板 90
44.4 人工智能增强触觉传感 92
44.4.1 纹理识别 92
44.4.2 机器人夹爪 97
44.4.3 智能键盘 100
44.4.4 智能腕带 102
44.5 神经形态触觉传感 105
44.5.1 基于人工突触的摩擦电神经形态触觉 105
44.5.2 基于摩擦纳米发电机原理的摩擦电神经形态触觉 112
44.6 总结 118
参考文献 119
第45章 基于人机接口的摩擦纳米发电机 122
45.1 引言 122
45.2 基于摩擦纳米发电机的信息输入智能键盘 123
45.3 基于摩擦纳米发电机的手写识别人机界面 126
45.4 基于摩擦纳米发电机的手势识别技术 128
45.5 基于摩擦纳米发电机的声学传感器 131
45.6 基于摩擦纳米发电机的不同控制应用方式 132
45.7 基于摩擦纳米发电机的其他控制应用 134
45.8 基于摩擦纳米发电机的指示预警与辅助交流 135
45.9 基于摩擦纳米发电机的虚拟应用 137
45.10 基于摩擦纳米发电机的信息输出设备 138
45.11 总结 139
参考文献 140
第46章 摩擦纳米发电机在智能家居中的传感应用 144
46.1 引言 144
46.2 智能屋顶 148
46.3 智能地板 150
46.4 智能地毯 151
46.5 智能床 153
46.6 智能枕头 155
46.7 智能马桶 157
46.8 智能锁系统 158
46.9 智能灭菌系统 160
46.10 智能鞋履系统 162
46.11 智能温室系统 164
46.12 总结 166
参考文献 167
第47章 摩擦纳米发电机用于智慧城市感知 172
47.1 引言 172
47.2 面向智慧城市安全的摩擦纳米发电机 174
47.2.1 智慧交通 174
47.2.2 灾害监测 180
47.2.3 结构健康监测 181
47.2.4 危险预警 182
47.2.5 智慧安全 183
47.2.6 环境保护 184
47.3 摩擦纳米发电机用于智慧城市服务 188
47.3.1 气象监测 188
47.3.2 智能电网 191
47.3.3 智能水务 192
47.3.4 智慧物流 193
47.3.5 智能通信 193
47.3.6 智能运动 194
47.4 总结 196
参考文献 196
第48章 基于摩擦纳米发电机的自供电物联网传感器 202
48.1 引言 202
48.2 自供电传感节点 204
48.2.1 基于摩擦纳米发电机的自供电压力传感器 204
48.2.2 基于摩擦纳米发电机的自供电声学传感器 207
48.2.3 基于摩擦纳米发电机的自供电光电探测器 208
48.2.4 基于摩擦纳米发电机的自供电温度传感器 210
48.2.5 基于摩擦纳米发电机的自供电湿度传感器 213
48.2.6 基于摩擦纳米发电机的自供电气体传感器 214
48.2.7 基于摩擦纳米发电机的自供电离子浓度传感器 219
48.3 无线通信 221
48.3.1 蓝牙 221
48.3.2 磁共振耦合 222
48.3.3 电场共振 224
48.3.4 放电位移电流 224
48.4 应用领域 225
48.4.1 医疗 225
48.4.2 交通 227
48.4.3 工业管理 228
48.4.4 农业 231
48.4.5 环境监测 232
48.4.6 人工智能 233
48.5 总结 236
参考文献 237
第49章 摩擦纳米发电机作为安全和人类行为的智能传感器 240
49.1 引言 240
49.2 摩擦纳米发电机用于生物特征识别 241
49.2.1 步态特征 241
49.2.2 语音特征 243
49.2.3 击键特征 246
49.2.4 书写特征 249
49.2.5 滑动特征 250
49.3 应用 254
49.3.1 自驱动电子设备认证 254
49.3.2 自驱动家居安全 256
49.3.3 自驱动交通安全 259
49.4 总结 261
参考文献 262
第50章 作为高压源的摩擦纳米发电机 266
50.1 引言 266
50.2 用于增强摩擦纳米发电机性能的材料和通用方法 268
50.2.1 材料选择 268
50.2.2 材料表面改性 268
50.2.3 通过电荷注入法和真空保护提高摩擦纳米发电机的电压性能 270
50.2.4 通过补充电荷提高摩擦纳米发电机的电压 271
50.3 基于介电弹性体和摩擦纳米发电机的人造肌肉 273
50.4 基于压电陶瓷和摩擦纳米发电机的微执行器 276
50.5 基于摩擦纳米发电机的高压极化材料 278
50.6 由摩擦纳米发电机驱动的静电机械手 281
50.7 基于摩擦纳米发电机的静电吸附和空气清洁技术 286
50.8 由摩擦纳米发电机提供动力的电子激发和离子生成技术 289
50.9 总结与展望 293
参考文献 294
第51章 直流摩擦纳米发电机和传感应用 301
51.1 引言 301
51.2 基于摩擦伏特效应的直流摩擦纳米发电机 302
51.2.1 肖特基结 302
51.2.2 pn 结 304
51.2.3 摩擦伏特纳米发电机用于传感器 307
51.3 基于静电击穿的直流摩擦纳米发电机 308
51.3.1 工作原理 308
51.3.2 物理模型和输出限制 309
51.3.3 基本器件结构 311
51.3.4 性能优化 312
51.4 用于自供电传感器的直流摩擦纳米发电机 318
51.5 总结 321
参考文献 321
第52章 交互式神经形态类脑器件 325
52.1 引言 325
52.2 神经形态器件的研究背景 326
52.3 交互式神经形态器件的研究进展与前沿动态 328
52.3.1 仿生受体与突触器件研究进展 328
52.3.2 触觉神经形态器件研究进展 333
52.3.3 视觉神经形态器件研究进展 336
52.3.4 神经形态多感官系统研究进展 341
52.4 中国在神经形态器件领域的学术地位及发展动态 345
52.4.1 在神经形态器件领域的学术地位及作用 345
52.4.2 在神经形态器件领域的发展动态 345
52.5 作者在该领域的学术思想和主要研究成果 348
52.5.1 压电式人工突触 348
52.5.2 机械突触可塑性（摩擦电式人工突触） 349
52.5.3 机械-光电多模态人工突触 352
52.6 交互式神经形态器件发展重点 353
52.7 总结与展望 354
参考文献 355
第53章 用于电子和机器人皮肤的摩擦纳米发电机 366
53.1 引言 366
53.2 基于摩擦纳米发电机的电子及机器人皮肤 368
53.2.1 基于摩擦纳米发电机的自驱动电子皮肤 368
53.2.2 基于摩擦纳米发电机的机器人电子皮肤 391
53.2.3 摩擦电式机器人电子皮肤的挑战与展望 405
53.3 总结 406
参考文献 406