面向人体健康监测的水凝胶基摩擦纳米发电机的研究进展

鲍艳; 李欣洁; 郭茹月; 周俊斌; 苏怡田

doi:10.7536/PC20250911

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (6) :1059-1072 DOI: 10.7536/PC20250911

综述与评论

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面向人体健康监测的水凝胶基摩擦纳米发电机的研究进展

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Research Progress of Hydrogel-Based Triboelectric Nanogenerators for Human Health Monitoring

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摘要

摩擦纳米发电机（TENGs）可将人体运动、呼吸、心跳等日常生活中广泛存在的机械能转化为电能，以实现对人体生理信号和运动状态的实时、连续、无创便捷监测以及精准采集。本文综述了面向人体健康监测的水凝胶基TENGs的研究进展。首先，介绍了水凝胶基TENGs的基本工作原理，以阐明其将人体机械能转化为电能的过程。其次，从摩擦层和电极层两方面出发，分析了水凝胶在TENGs中的作用。随后，详细阐述了水凝胶材料在表面特性、力学性能、导电性能和环境稳定性等方面的强化策略，以提升水凝胶基TENGs的综合性能和适用性。接着，总结了水凝胶基TENGs在人体生理信号（如心电、呼吸等）和运动状态（如关节运动、步态分析、颈部运动等）监测中的应用，展示其在人体健康监测领域的广阔应用前景。最后，对水凝胶基TENGs未来面临的挑战和发展方向进行展望，为该领域的进一步研究和发展提供参考与借鉴。本文旨在推动水凝胶基TENGs向更高性能、更广泛应用的方向发展，以期为提升人体健康监测水平做出贡献。

Abstract

Triboelectric nanogenerators（TENGs）convert mechanical energy from daily human activities（such as body movements，breathing，and heartbeats）into electrical energy，enabling real-time，continuous，non-invasive and convenient monitoring of physiological signals and motion states. Herein，this review comprehensively summarizes recent advances in hydrogel-based TENGs for human health monitoring. Initially，the fundamental working principles of hydrogel-based TENGs are introduced to clarify the conversion of human mechanical energy into electricity. Secondly，the roles of hydrogels in TENGs are analyzed from both triboelectric and electrode layers. Subsequently，the strategies to enhance the performance of hydrogels in terms of surface characteristics，mechanical properties，electrical conductivity and environmental stability are discussed，with the aim of improving overall device performance and expanding applicability. Next，the applications of hydrogel-based TENGs in monitoring human physiological signals（such as electrocardiogram，respiration）and motion states（such as joint movement，gait analysis，cervical exercises）are also summarized，demonstrating their broad potential in health monitoring. Finally，the future challenges and development directions are outlined，providing valuable insights for further research. In summary，this review aims to promote the development of hydrogel-based TENGs toward higher performance and wider application in human health monitoring.

Contents

1 Introduction

2 Working principle of hydrogel-based TENGs

3 Performance optimization of hydrogel-based TENGs

3.1 Surface characteristics

3.2 Mechanical properties

3.3 Electrical conductivity

3.4 Environmental stability

3.5 Collaborative optimization strategy

4 The application of hydrogel-based TENGs in human health monitoring

4.1 Human physiological signal monitoring

4.2 Human motion state monitoring

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

水凝胶 / 摩擦纳米发电机 / 人体健康监测 / 性能强化

Key words

hydrogel / triboelectric nanogenerators / human health monitoring / performance enhancement

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鲍艳, 李欣洁, 郭茹月, 周俊斌, 苏怡田. 面向人体健康监测的水凝胶基摩擦纳米发电机的研究进展[J]. 化学进展, 2026, 38(6): 1059-1072 DOI:10.7536/PC20250911

Yan Bao, Xinjie Li, Ruyue Guo, Junbin Zhou, Yitian Su. Research Progress of Hydrogel-Based Triboelectric Nanogenerators for Human Health Monitoring[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(6): 1059-1072 DOI:10.7536/PC20250911

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1 引言

在当今社会，随着人口老龄化的加剧以及人们对健康生活品质追求的不断提升，人体健康监测已成为医疗保健领域的关键环节。柔性电子设备具有可弯曲、可拉伸、轻便舒适等特点，能够与人体皮肤实现良好的贴合，从而实现对人体生理信号和运动状态的实时、连续、无创且便捷的监测以及精准采集^[1]。然而，柔性电子设备的持续运行离不开稳定可靠的能源供应。传统的电池作为能源供应方式，存在体积大、重量重、柔性差、需要频繁充电或更换等缺点，难以满足柔性可穿戴健康监测设备长期、稳定工作的需求。因此，开发一种能够自供电的柔性能源采集与转换技术，对于推动柔性可穿戴健康监测设备的发展至关重要。

在众多自供电能源技术中，摩擦纳米发电机（TENGs）凭借其独特的优势脱颖而出。TENGs基于摩擦起电和静电感应原理，能够将人体运动、呼吸、心跳等日常生活中广泛存在的机械能转化为电能。这种能量转换方式具有材料选择广泛、结构简单多样、成本低廉、能量转换效率较高等显著特点，尤其适合为柔性可穿戴设备供电。自2012年王中林院士团队首次提出TENGs的概念以来，该技术在能源收集、自驱动传感等领域取得了迅猛发展，为柔性可穿戴健康监测设备的自供电问题提供了一种极具潜力的解决策略^[2]。然而，传统的TENGs材料在面向人体健康监测应用时，仍存在一些缺陷。例如，常用的金属电极材料柔韧性较差，难以与人体皮肤实现紧密、舒适的贴合，在人体运动过程中容易产生机械磨损，影响设备的稳定性和使用寿命；而一些刚性摩擦层材料则缺乏足够的柔韧性，难以适应人体复杂多变的运动形态。因此，开发具有高柔韧性以及可调节性的新型材料，成为推动TENGs技术在人体健康监测领域进一步应用的关键。

水凝胶作为一种新型功能高分子材料，由亲水大分子聚合物通过物理或化学交联形成。水凝胶内部含有大量的水分，使其具备独特的物理化学性质^[3]。水凝胶不仅具有良好的柔韧性和可拉伸性，能够与人体皮肤实现紧密、舒适的贴合，还具有可调节的机械性能，可根据不同应用场景的需求进行设计，以适应人体不同部位的运动特点。将水凝胶引入TENGs领域，构建面向人体健康监测的水凝胶基TENGs，为柔性可穿戴健康监测设备的自供电和信号采集带来了新的机遇。水凝胶基TENGs不仅继承了传统TENGs的自供电优势，还凭借水凝胶的独特性能，有效克服了传统TENGs材料在柔韧性、贴合性和可调节性等方面的不足，能够更加契合人体健康监测的实际需求。

基于此，本文旨在系统综述面向人体健康监测的水凝胶基TENGs的研究进展。首先，介绍了水凝胶基TENGs的基本工作原理；其次，分析了水凝胶在TENGs中作为摩擦层和电极层的作用；随后，阐述了用于TENGs的水凝胶材料在表面特性、力学性能、导电性能和环境稳定性等方面的强化策略；接着，总结了水凝胶基TENGs在人体生理信号和运动状态监测中的应用进展；最后，对水凝胶基TENGs未来面临的挑战和发展方向进行了展望。

2 水凝胶基TENGs的工作原理

水凝胶基TENGs的工作原理基于摩擦起电效应和静电感应效应。摩擦起电效应是指，当两种不同材料相互接触并分离时，由于二者对电子的束缚能力存在差异，电子会从一种材料转移至另一种材料，进而使两种材料分别带上等量异号的电荷。静电感应效应则表现为，当一个带电物体靠近导体时，导体内部的电荷会重新分布，在靠近带电物体的一端感应出与带电物体极性相反的电荷，在远离带电物体的一端感应出与带电物体极性相同的电荷。

水凝胶基TENGs的工作模式可分为垂直接触分离式、单电极模式、水平滑动式及独立模式四种^[4]，如图1所示。

垂直接触分离模式是最早被提出的工作模式，也是目前最为典型的工作模式^[5]。该模式的水凝胶基TENGs是由两个具有不同电负性的材料作为摩擦层，且两摩擦层相隔一定距离，在摩擦层的上下表面分别添加金属电极。在外力作用下，两个摩擦层表面相互接触，并产生相反的电荷。当两层由于外力的释放而分离时，摩擦层表面保持电荷，并在两个金属电极之间感应出电势。这些电荷在静电场的作用下于金属电极之间自由流动。通过不断的接触和分离，会产生电位差，使电流流经电路，从而产生交流电源。在水凝胶基TENGs的四种基础工作模式中，垂直接触分离模式凭借其独特的界面电荷调控机制，在能量转换效率及多功能应用拓展方面展现出显著优势^[6]。

单电极模式的水凝胶基TENGs具有最简单的结构，其中唯一的电极接地。人体皮肤或其他导电材料与摩擦层接触分离或滑动会建立接地和电极之间的电流流动^[7]。当摩擦层与电极完全接触时，会发生表面电荷转移，在没有任何电子流动的情况下，两个表面会诱导出相反的电荷。当二者分离后，单一电极表面的感应电荷减少，通过与地面交换电荷来平衡电势。一旦它们再次接近并接触，电子将从地面流向电极以建立平衡，直至两个表面完全接触。

水平滑动模式的水凝胶基TENGs利用两种不同的摩擦电材料，使其在不同的有效接触面积下进行横向相互摩擦。在该模式下，两个摩擦层通过水平滑动产生摩擦电荷，进而在两电极之间产生电势差。电势差会随着有效接触面积的变化而周期性变化，并产生摩擦电功率。这种电势差驱动电流从上到下流动，抵消了因摩擦引起的感应电势的降低。与垂直接触分离模式相比，水平滑动模式通过摩擦能产生更多的接触电荷，因此可提供更高的转换效率^[8]。

独立模式的水凝胶基TENGs包括一个移动摩擦层，其下方设有两个通过外部负载相互连接的固定电极。当摩擦层与电极接触滑动时，由于可动摩擦层运动所产生的不对称电荷分布，电子能够在电极层之间流动，从而使电势差减小。因此，基于该模式的水凝胶基TENGs具有较高的转换效率。然而，由于电极的过度磨损，其耐久性受到一定限制。

3 水凝胶基TENGs的性能优化

水凝胶作为一种兼具柔韧性和功能可调性的材料，在TENGs领域展现出独特的应用潜力，其既可作为摩擦层材料，也可作为电极层材料，为高性能TENGs的构建提供了思路。

摩擦层指TENGs中直接发生接触起电的功能层，其核心作用是产生并维持表面静电荷。在接触-分离过程中，不同材料的电子亲和能差异导致电子转移，使表面带静电荷。该层通常需具备良好的介电特性（如高表面电荷密度、高电阻），以阻隔电荷复合。作为摩擦层材料时，水凝胶主要发挥电荷产生与储存功能，其表面直接与另一材料接触并发生电子转移，产生并束缚表面静电荷。此时，水凝胶的表面特性（如官能团、粗糙度）直接参与并主导电荷的生成。并且，水凝胶独特的柔韧性与可调性使其能够无缝适配多种复杂形状与表面结构，从而满足不同应用场景的需求。同时，通过优化水凝胶的表面特性以及强化力学性能，可显著提升TENGs的摩擦电输出性能与电荷保持能力，进而实现更高的能量转换效率。

电极层指TENGs中与摩擦层耦合，用于感应、收集并向外电路导出电荷的导电层。其核心功能是提供电荷快速输运的通道，实现静电感应产生的电势差向可用电流的高效转换。电极材料必须具有良好的导电性。作为电极层时，水凝胶主要起到电荷收集与传输功能。其内部的离子或电子作为载流子，响应摩擦层表面电荷的静电感应，形成位移电流或传导电流，并输送至外电路，其自身并不直接参与接触起电。此时，需综合考虑其力学性能与导电性能等关键参数，以优化TENGs的摩擦电输出特性。

综上，水凝胶的表面特性、力学性能及环境稳定性等综合性能，与其在TENGs中的功能实现及应用效能密切相关。因此，系统提升水凝胶的综合性能是推动其在TENGs领域实现应用的关键。

3.1 表面特性

水凝胶的表面特性，如表面能、粗糙度与官能团分布，会对所制备TENGs的电荷生成与转移过程产生直接影响。相较于介电等其他性能，表面特性在水凝胶基TENGs的接触起电过程和界面电荷行为中起着更为直接的主导作用。这是因为接触起电的本质是两种不同材料表面在接触与分离过程中因电子亲和能差异而发生的电子转移。这一过程与表面形貌和化学状态密切相关，表面粗糙度与微观结构直接影响真实接触面积；表面官能团类型与分布则决定了局部的电子态密度和功函数，从而调控电子隧穿的概率与方向。

为了提高水凝胶基TENGs的性能，在水凝胶表面构建微观结构是一种有效的方法。通过这种方式，能够增加水凝胶的比表面积，提高电荷转移效率，从而增强TENGs的输出性能。在水凝胶表面构建微观结构常用的方法是模板法^[9]，即利用具有不同微观结构的模具，在其表面构筑各类微观结构，并对其形状、尺寸和排列方式进行精确控制。常见的微观结构包括金字塔结构^[10]、半球结构^[11]等。Shi等^[12]受天然树叶表面微结构的启发，制备了表面具有金字塔微结构的明胶基水凝胶，并将其作为正摩擦层，以PDMS作为负摩擦层，构建了垂直接触式明胶基TENG（LMFG-TENG），如图2所示。结果表明，LMFG-TENG的最大开路电压和短路电流分别为320 V和0.80 μA，相较于表面未结构化的TENG分别提高了5.8倍和3.8倍。这主要归因于表面金字塔微结构引入的多重物理机制。首先是几何增效效应。根据接触力学，金字塔微结构使明胶基水凝胶与PDMS之间在相同法向载荷下产生更大的真实接触面积。这使得更多的分子或原子对参与电子转移，根据摩擦起电的量子力学模型，生成的表面电荷密度直接正比于有效接触面积，从而线性提升了初始电荷强度。其次是电场集中效应。金字塔结构的尖锐顶点遵循静电场的“尖端效应”。根据拉普拉斯方程，曲率半径越小的区域，电场强度越集中。这种增强的局部电场在接触分离瞬间产生两个关键作用：其一，大幅降低电荷回流的势垒，抑制了界面电荷复合；其二，作为强大的驱动力，加速了电荷载流子的定向分离与抽取效率，从而提升了电荷转移效率。第三是定向输运效应。周期性的金字塔微结构构成了物理上的电荷输运通道。规则的几何棱边与顶点为表面电荷的扩散与电极感应电荷的收集提供了低阻力的优先路径，减少了电荷在无序表面的散射与弛豫损耗，优化了电荷从产生点到收集点的整体动力学过程。最终，三者协同提升了LMFG-TENG的电荷转移效率，表现为最大开路电压和短路电流的大幅提高。因此，表面微结构通过耦合几何效应、场效应与传输效应，从物理上重构了接触起电的界面环境，是提升TENG性能的根本策略之一。

3.2 力学特性

水凝胶基TENGs可将人类行走、说话、脉冲振动和打字等活动产生的机械能转化为电信号。但当水凝胶基TENGs受到外部机械力作用时，可能会发生损坏，例如出现裂纹或断裂，进而对其整体性能产生不利影响^[13]。因此，改善水凝胶的力学性能成为当前研究的重点方向。目前，主要通过引入化学键、构建多重网络以及添加纳米填料这三个方面来实现水凝胶基TENGs力学性能的提升。

3.2.1 引入化学键

化学键可分为共价键（如C—C、C—O键等）和非共价键（如氢键、离子键、疏水相互作用等）两大类。基于共价键构建网络结构的水凝胶，具备较高的机械强度与稳定性，能为水凝胶提供刚性骨架。然而，这类水凝胶通常脆性较大，一旦发生断裂，裂纹会迅速扩展。相比之下，由非共价键形成网络结构的水凝胶，其键强度相对较低。在受力过程中，非共价键能够通过可逆的断裂与重组过程来耗散能量，进而提升水凝胶的韧性与可恢复性。

Sun等^[14]通过简单的酯化反应，成功合成了同时含有丙烯酸酯和羟基的羟乙基纤维素（HECM），并将其作为大分子交联剂与丙烯酸（AA）聚合，制备出双重交联的纤维素复合水凝胶，如图3所示。经测试，该水凝胶的抗张强度可达110.0 kPa，断裂伸长率为316.2%。这是因为HECM与AA之间既通过自由基聚合反应形成了C—C、C—O等共价键，又在羟基和羧基之间形成了氢键，二者间的协同作用实现了水凝胶力学性能的显著提升。进而，以PDMS作为摩擦层，纤维素复合水凝胶作为电极，制备了单电极TENG（H-TENG）。在超过1000次的循环测试中，其输出电压保持稳定，均为6.4 V。Feng等^[15]制备了一种基于多壁碳纳米管（MWCNTs）、纳米纤维素晶体（CNWs）、聚丙烯酰胺（PAM）和海藻酸钠（SA）的双交联网络复合水凝胶。其中，SA与PAM分子链之间形成了双交联网络结构，同时，SA分子链上的—COOH和—OH与PAM分子链上的—NH₂之间形成了物理氢键，这种相互作用有效增强了水凝胶的断裂伸长率。当水凝胶受到外力作用时，其内部的氢键会发生动态断裂与重组，这一特性赋予了水凝胶一定的抗张强度。基于上述性能，该水凝胶可作为电极材料用于组装单电极TENG，通过产生交流电压，为小型电子设备供电。

3.2.2 构建多重网络

相较于单网络和双网络结构，多重网络水凝胶的结构更为复杂。多重网络水凝胶由相同或不同的聚合物通过化学或物理交联的方式相互交织形成，主要类型包括互穿网络、半互穿网络等^[16]。在水凝胶的制备过程中，构建多重网络能够增加其内部结合位点数量，进而有效提升水凝胶的机械强度^[17]。

Wang等^[18]采用单宁酸（TA）@碳化钛（MXene）、漂白针叶木浆溶于ZnCl₂溶液中制备的纤维素（ZnCl₂-纤维素）以及苹果酸组成的三元体系，制备了具有优异机械性能、良好环境适应性和优异电化学性能的多重网络导电水凝胶（TCM水凝胶），如图4所示。在该水凝胶中，TA@MXene纳米片通过强氢键相互作用，对互穿的聚合物链段起到固定作用；而ZnCl₂-纤维素骨架具有丰富的羟基和金属配位键，通过氢键和离子键形成交联，从而显著增强水凝胶的机械性能。进而，以该水凝胶作为电极层，Ecoflex作为摩擦层，制备得到的单电极TENG展现出优异的柔韧性，且能够承受包括拉伸、扭转和折叠在内的各种变形。此外，Wang等^[19]通过一锅法制备了基于羧甲基壳聚糖（CA）和烯丙基缩水甘油醚（AGE）的导电水凝胶（CCH）。其中，CA自身所含的氨基和羟基能够形成大量氢键，在此基础上，将AGE接枝到CA分子链上，借助AGE上双键之间的加成反应，进而实现CA链之间的共价交联。这种多重交联网络的构建显著提高了CCH的机械强度，且其具有优异的离子导电性能以及在-40 ℃低温环境下的抗冻性能。最后，以CCH作为电极层、VHB作为摩擦层，成功制备了单电极TENG（CCH-TENG）。结果表明，CCH-TENG在面对温度变化、多次拉伸、长期存储及多次接触-分离运动循环等多种复杂情况时，均展现出良好的稳定性。

3.2.3 添加纳米填料

向水凝胶中添加纳米填料，能够通过载荷传递、增加物理交联/限制链运动、引入能量耗散机制以及提高有效交联密度等途径，显著提升其强度、模量和韧性。常用的纳米填料有纤维素纳米纤维（CNF）^[20]、ZIF-8纳米晶体^[21]、氧化石墨烯^[22]等。

Zhang等^[23]以MXene为交联剂，纤维素纳米纤维（CNF）为纳米填料，通过AA、丙烯酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯（AA-NHS）和甲基丙烯酸磺基甜菜碱（SBMA）的聚合反应，成功制备了一种具有保形黏接性能的PAS/CNF/MXene水凝胶，如图5所示。AA和SBMA共聚形成水凝胶的主要网络结构，而引入的CNF发挥了关键作用，将水凝胶的断裂伸长率从1737%显著提升至2240%。随后，以其作为电极，构建水凝胶基TENG，用于自供电传感。结果表明，该TENG表现出良好的电输出性能，并且可以利用从人体行走过程中收集的机械能，为商业电容器进行充电。Qiu等^[24]采用1D聚合物链，即PAM与聚多巴胺（PDA），以及2D纳米片，包括MXene和氧化石墨烯，共同作为四重交联剂，制备了一种多功能杂化水凝胶（H-hydrogel）。在该体系中，引入的MXene和氧化石墨烯通过氢键作用与PAM和PDA聚合物链紧密结合，进而构建出独特的四重交联结构。这种结构赋予H-hydrogel良好的柔韧性、导电性、自黏附性以及机械稳定性等多种优异性能。进而，当将H-hydrogel用作电极构建TENG时，由于纳米片与水凝胶内部水分子之间双电层处于动态平衡状态，该TENG具有较高的电输出性能，为其在能量收集与转换领域的应用奠定了坚实基础。

3.3 导电性能

水凝胶的导电性能对于所构建TENGs的能量转换效率与输出稳定性起着至关重要的作用，通过导电性的提高，可以提升电荷存储和转移能力^[25]。为了赋予水凝胶良好的导电能力，常将NaCl^[26]、KCl^[27]、LiCl^[28]和ILs^[29]等离子导电材料或聚苯胺（PANI）^[30]、MXene^[31]、多壁碳纳米管（MWCNTs）^[15]和银纳米颗粒（Ag NPs）^[32]等电子导电材料与绝缘的聚合物骨架进行复合，从而制备导电水凝胶。

3.3.1 添加离子导电材料

离子导电凝胶是通过将电解质盐（如NaCl、LiCl）或离子液体整合到凝胶三维网络结构中制备的。其导电机理的本质是离子迁移，载流子为解离出的阴阳离子（如Na⁺、Cl^-、Li⁺）。在聚合物网络孔隙的水合环境中，这些离子在外部电场（由TENG摩擦电荷产生的感应电场）驱动下发生定向迁移，形成传导电流。其电导率受离子水合半径、聚合物网络孔径及水分含量的显著影响。当此类水凝胶用作TENGs的电极层时，其工作机理主要是基于静电感应引发的离子重分布。摩擦层表面的静电荷在其附近的离子导电水凝胶电极中感应出相反的镜像电荷。然而，与金属电极中自由电子的瞬时响应不同，离子电荷通过离子的物理位移来达成静电平衡，此过程形成位移电流。

Patnam等^[33]以聚乙烯醇（PVA）和羧甲基纤维素钠（CMC）进行交联，并加入LiCl作为导电物质，制备了CMC/PVA水凝胶。随后，以其作为电极层，硅橡胶作为摩擦层，制备出一种具有柔性和形状自适应特性的单电极TENG（S-TENG），如图6所示。在S-TENG工作过程中，硅橡胶与皮肤接触时，由于两者表面电子亲和能的差异，会发生电子转移从而产生摩擦电荷；同时，水凝胶中LiCl的存在，使得在摩擦起电过程中，离子能够在电极与摩擦层界面间快速移动，有效促进了电荷的分离与传输，减少了电荷的复合损失。经测试，S-TENG的开路电压和短路电流分别为584 V和25 μA，充电密度为120 μ/Gm²。类似地，Xie等^[34]制备了一种以明胶作为聚合物，NaCl作为导电物质的水凝胶（GNOH）。进而，将GNOH作为电极层，Ecoflex作为摩擦层，制备了单电极TENG。在摩擦起电过程中，Ecoflex带负电荷，Ecoflex与GNOH电极接触时，GNOH中NaCl离子的移动有助于维持界面处的电荷平衡，促进电荷的持续分离与传输。经测试，该TENG的开路电压和短路电流分别为142 V和3.8 μA，功率输出为19.36 μW，响应时间为85 ms。

3.3.2 添加电子导电材料

电子导电水凝胶是通过将本征导电材料（如导电聚合物、碳纳米材料/金属纳米材料）作为填料或连续相，与凝胶基质进行复合制备的。其导电机理本质是电子或空穴的输运，载流子为自由电子或空穴，通过填料自身连续的导电网络或量子隧穿效应进行传输。其电导率主要由填料的固有电导率、浓度（是否超过渗流阈值）及界面接触电阻决定。具有电子迁移速度快、响应频率高和能够在极短的时间内形成电流的特点。当用于TENGs时，电子导电水凝胶主要被用作高性能电极或功能化摩擦层。这是因为其良好的导电性能够满足TENGs在电荷产生、传输和收集过程中对电极材料的高要求，有助于提高TENG的能量转换效率和输出性能。其工作机制是基于电子云的快速屏蔽与传导。摩擦电荷感应出的镜像电荷由填料网络中的自由电子/空穴几乎瞬时（响应时间可至微秒级）地重排来平衡，形成传导电流。

Long等^[35]以PAM和PVA作为聚合物，MXene作为导电物质，制备了导电水凝胶（MPP），如图7所示。在制备MPP的过程中，引入的MXene凭借自身优异的本征导电性，为水凝胶构建了高效的电子传输通道，显著增强了水凝胶的导电性；还由于MXene表面官能团的存在，促进了MXene与水凝胶内部自由水分子之间DELs的形成。当把MPP用作TENG的电极层时，基于接触带电产生的初始电势差作为驱动力，DELs中的离子会在电场作用下发生定向移动，并迅速达到动态平衡状态。这种动态平衡使得电极表面能够稳定地存储和释放电荷，减少了电荷的复合与损耗，从而使得TENG的电输出性能得到显著增强。结果表明，添加了MXene的水凝胶所制备的TENG，其输出电压相较于未添加MXene的情况提高了4.5倍。Feng等^[15]以PAM和SA作为聚合物，并加入MWCNTs作为导电物质，制备了导电水凝胶。MWCNTs的长径比使其能够在水凝胶中相互搭接，形成连续的导电网络。同时，MWCNTs表面存在一定的缺陷和官能团，这些缺陷和官能团可以与PAM和SA分子链发生相互作用，增强MWCNTs与水凝胶基质之间的界面结合力，从而保证导电网络的稳定性。将该导电水凝胶作为电极层，组装成单电极TENG后，在摩擦起电过程中，水凝胶电极与摩擦层接触时，由于两者表面电子亲和能的差异，会发生电子转移，产生摩擦电荷。而导电水凝胶中的MWCNTs导电网络能够快速、高效地将产生的摩擦电荷传输到外电路，实现电荷的收集和利用。这种高效的电荷传输能力使得TENG能够持续稳定地产生28 V的开路电压。这种自供电特性使其在小型电子器件的供电应用方面展现出巨大的潜力。

3.4 环境稳定性

水凝胶基TENG的输出性能高度依赖水凝胶的机械韧性和导电性，而这两者均与水凝胶中的水分状态密切相关。由于水凝胶的主要成分是水，其在长期使用或极端环境下易发生蒸发（高温/干燥条件）或冻结（零下温度），导致导电性丧失、柔韧性下降甚至结构脆化，最终使TENG的性能衰减。因此，提升水凝胶的环境稳定性，尤其是耐温性和保湿性，是拓展其实际应用场景的关键。现有研究主要通过向水凝胶中添加离子导电材料、两性离子渗透液或多元醇等，构建具有持久保水性和抗冻能力的复合水凝胶^[36]。

3.4.1 添加离子导电材料

对于水凝胶基TENG的环境稳定性，添加离子导电材料的作用机制主要依赖于高浓度离子（如CaCl₂、LiCl、[EMIM][BF₄]）与水分子间的强水合作用。从微观层面来看，离子周围会吸引多个水分子，形成水合离子层。这种强水合作用能够有效束缚水分子，限制其自由运动，从而导致体系的水活度显著下降。此时，水凝胶中的水分更不容易参与化学反应或发生物理状态的改变，如蒸发、结冰等。因此，离子导电材料的这种特性能够显著提升水凝胶在复杂环境下的稳定性，使其具备抗冻、抗干燥等优异性能。在低温环境下，由于水分子被强水合作用束缚，难以形成有序的冰晶结构，从而防止水凝胶冻结；在干燥环境中，水分子不易蒸发散失，保证了水凝胶内部的水分含量，维持其结构和性能的稳定。

Wang等^[37]通过将导电的刚性纤维素/Zn²⁺/Ca²⁺网络与柔软的PVA/硼砂网络相结合，构建了双网络PVA/纤维素水凝胶，如图8所示。其中，刚性纤维素/Zn²⁺/Ca²⁺网络中的纤维素具有高结晶度和良好的力学强度，Zn²⁺和Ca²⁺作为离子交联剂，能够与纤维素分子链上的官能团发生络合反应，形成稳定的离子交联结构，为水凝胶提供了刚性和强度支撑。而柔软的PVA/硼砂网络中，PVA分子链具有良好的柔韧性和亲水性，硼砂与PVA分子链上的羟基发生酯化反应，形成动态可逆的硼酸酯键，赋予了水凝胶一定的柔韧性和自修复能力。两种网络的相互协同，使得该水凝胶具有良好的机械性能、自黏附特性、透明性以及可回收性。另外，该水凝胶中引入的Zn²⁺和Ca²⁺等高浓度离子，与水分子发生了强水合作用。这种作用有效降低了水凝胶体系的水活度，赋予了水凝胶优异的抗冻性。在低温条件下，水分子被离子紧紧束缚，难以形成冰晶，从而避免了因结冰导致的体积膨胀和结构破坏，保证了水凝胶在低温环境下的稳定性和完整性。进一步地，将这种双网络PVA/纤维素水凝胶作为电极层，PDMS作为摩擦层，制备了单电极TENG。结果表明，在温度范围从-40 ℃升至50 ℃的宽温域内，该TENG均能保持稳定的电输出性能，其开路电压高达211.3 V。在低温环境下，由于水凝胶的抗冻性，其内部结构和离子导电性能未受到明显影响，依然能够正常产生和传输电荷，使得TENG能够稳定工作；在高温环境下，水凝胶的稳定结构和高浓度离子的存在也防止了水分的过度蒸发和离子的挥发，保证了电荷传输的顺畅。这一结果充分证明了双网络PVA/纤维素水凝胶在极端温度条件下的可靠性和实用性。

3.4.2 添加两性离子渗透液

两性离子渗透液可通过强水合作用在分子尺度上实现高效“锁水”，从而直接抑制水分子的迁移。具体而言，两性离子分子具有独特的结构特性，其同时携带正、负电荷。这种正负电荷共存的结构使得两性离子分子成为了一个强大的“水分子吸附中心”，能够通过强静电作用与大量水分子紧密结合。当两性离子分子与水分子相遇时，正电荷会吸引水分子中的氧原子（带负电），负电荷则会吸引水分子中的氢原子（带正电），进而在两性离子分子周围形成一层致密的“水合壳层”。这一“水合壳层”就像一个坚固的“牢笼”，将水分子牢牢地束缚在其中，有效限制了水分子的自由运动，极大地增强了水凝胶的保水能力。即使在相对干燥的环境或者面临一定程度的温度变化时，水分子也难以挣脱“水合壳层”的束缚而逃逸，从而保证了水凝胶内部水分含量的稳定。常用的两性离子渗透液包括甜菜碱、磺酸甜菜碱等。

Lei等^[38]制备了一种多功能聚乙烯吡咯烷酮/poly（AAm-co-1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐）/纤维素纳米纤维-甜菜碱离子导电水凝胶（PVP/P（AAm-co-VBIMBr）/CNF-BA，简写为PPAVC-BA），如图9所示。在该水凝胶的制备过程中，通过自由基聚合反应，P（AAm-co-VBIMBr）形成了共价交联网络，为水凝胶提供了稳定的结构支撑。同时，两性离子甜菜碱BA的引入显著增强了水凝胶的导电性能和抗冻性能。在导电性能方面，甜菜碱BA中的离子能够在水凝胶内部自由移动，当施加电场时，这些离子会定向移动形成电流，从而显著增强了水凝胶的导电性。良好的导电性使得水凝胶在作为电极材料时，能够高效地传输电荷，减少电荷在传输过程中的损耗，提高电信号的传输效率。在抗冻性能方面，甜菜碱BA与水分子形成的“水合壳层”发挥了关键作用。在低温环境下，由于“水合壳层”对水分子的束缚作用，使得水分子难以排列成有序的冰晶结构，从而有效抑制了水凝胶的结冰现象，显著增强了水凝胶的抗冻性能，确保其正常功能的发挥。得益于PPAVC-BA水凝胶优异的特性，以其制备的单电极TENG（PPAVC-BA-TENG）在极端温度条件下（低至-50 ℃，高至80 ℃），仍能表现出良好的电输出性能，展现了其在宽温度范围内应用的潜力。

3.4.3 添加多元醇

多元醇分子中富含多个羟基，这些羟基在提升水凝胶基TENGs环境稳定性中扮演着极为关键的角色。首先，多元醇分子中的羟基能够与水分子形成氢键，这种额外的氢键作用会干扰水分子原有的氢键网络。当温度降低，水分子试图按照规则排列形成冰晶时，多元醇羟基与水分子形成的氢键会“打乱”这种排列顺序，使得水分子难以形成完整、规则的冰晶结构，从而有效抑制了冰晶的形成。另外，羟基作为强亲水基团，对水分子具有极强的吸引力，被多元醇羟基紧密束缚的水分子，其热运动受到很大程度的限制，要挣脱这种束缚而蒸发逃逸就需要克服更大的能量障碍。因此，在干燥环境中，多元醇的存在显著减缓了水凝胶的失水干燥速率，能够长时间维持水凝胶的含水率和形状稳定性。常用的多元醇有甘油、乙二醇和聚乙二醇等。

Han等^[39]在含有NaCl和明胶的甘油（Gly）/H₂O二元溶剂中，通过聚合丙烯酰胺（AM）与两性离子[2（甲基丙烯酰氧基）乙基]二甲基-（3-磺丙基）氢氧化铵（SBMA），成功合成了一种双网络导电凝胶（PASG/NaCl/Gly），如图10所示。多元醇、NaCl以及两性离子间的协同作用，使得PASG/NaCl/Gly在低温下依然能够保持较好的柔韧性和内部结构的稳定性。在低温时，虽然水分子的运动受到一定限制，但多元醇羟基与水分子形成的氢键以及两性离子的“水合壳层”结构，有效抑制了冰晶的形成，保证了水凝胶不会因结冰而变得坚硬、易碎。以该导电凝胶作为电极层、Ecoflex作为摩擦层，制备了单电极TENG（gel-TENG）。经测试，在-18 ℃的低温环境下，gel-TENG表现出快速的响应能力（47 ms）和较短的恢复时间（47 ms），表明其可实现低温环境下的高效传感，适用于需要精确且快速响应的应用场景。

3.5 协同优化策略

在水凝胶基TENGs的性能优化过程中，单一策略往往难以兼顾力学、电学及环境稳定性等多重要求。因此，通过多种优化策略的协同与集成，构建结构-功能一体化的水凝胶体系，已成为提升其综合性能的重要途径。例如，将多重网络结构与纳米填料相结合，不仅能够增强水凝胶的力学强度和韧性，还可同步改善其导电性与环境适应性，实现性能的全面提升。

Wang等^[40]通过将PVA、PAM与经Zn²⁺交联且锚定聚苯胺（PANI）的CNFs（CNFs-Zn²⁺）复合，制备了多重网络导电水凝胶（PBACA-Zn²⁺），如图11所示。在该体系中，CNFs-Zn²⁺通过氢键和金属配位键与聚合物网络交联，形成先于共价网络断裂的能量耗散相，从而显著提升PBACA-Zn²⁺的强度和韧性。同时，定向排列的CNFs晶域赋予了PBACA-Zn²⁺对裂纹扩展的抑制能力，从而提高了抗疲劳性。而锚定于CNFs表面的PANI在机械训练过程中形成连续的导电通路，使PBACA-Zn²⁺的电导率提升至12 S/m。此外，引入的Zn（BF₄）₂盐中BF₄^-阴离子通过与水分子形成氢键，破坏冰晶生长，有效降低凝固点，使PBACA-Zn²⁺在低温下仍保持稳定的结构与性能。以此水凝胶为电极层、Ecoflex作为负摩擦层组装的单电极TENG（S-TENG）在3000次循环测试中表现出稳定的电输出，验证了该协同策略在提升器件耐久性与环境稳定性方面的有效性。

综上，针对水凝胶的表面特性、力学性能、导电性能和环境稳定性，对比分析了各类优化策略的优缺点，如表1所示。在研究过程中，应充分考虑不同优化策略在提升水凝胶基TENGs输出功率、降低能量损耗、延长使用寿命以及拓展其应用场景等多方面的表现。

4 水凝胶基TENGs在人体健康监测中的应用

水凝胶基TENGs凭借其优异的柔韧性、生物相容性、高灵敏度及环境适应性，在人体生理信号与运动状态监测中展现出独特优势。其通过将人体微小机械形变（如肌肉收缩、关节运动、呼吸起伏）转化为电信号，实现了无创、实时、连续的健康监测，在可穿戴医疗设备、远程健康管理及运动康复等领域极具前景。

4.1 人体生理信号监测

人体生理信号（如心电、呼吸信号）是反映健康状态的核心指标。水凝胶基TENGs通过贴附于人体皮肤表面，可高效采集机械形变并转化为电信号，实现监测的舒适性与长期稳定性。

4.1.1 心电监测

心电信号是反映心脏电活动的重要生理信号，对于心脏疾病的诊断和监测具有重要意义。水凝胶基TENGs可以贴附在人体胸部或脉搏，通过采集脉搏跳动和心跳产生的微小机械振动，将其转化为电信号，进而实现对心电信号实时、连续监测，为心脏疾病的早期诊断和预防提供有力支持。

Wang等^[41]基于SA、AM和LiCl制备了一种导电水凝胶（h-CAPAM-Li⁺），并将其作为电极层、PDMS作为摩擦层，制备了单电极TENG。将该TENG附着在人体胸部，当人处于平静状态时，可捕获到具有正弦波形和高信噪比的周期性心跳振动信号。而在运动过程中，尽管身体运动会引起基线波动，但仍能成功捕获到加速的心跳信号，并保持稳定的峰值分辨率。

4.1.2 呼吸监测

呼吸是人体生命活动的重要过程，呼吸监测对于诊断呼吸系统疾病、评估睡眠质量等具有重要意义。水凝胶基TENGs可以贴附在人体胸部或腹部，采集呼吸运动产生的机械变形，将其转化为电信号，实现对呼吸频率、呼吸深度等参数的监测。

Li等^[42]制备了一种基于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和锂藻土复合物（Lap）的PEGDA/Lap纳米复合水凝胶，并将其作为电极层、聚乳酸（PLA）作为摩擦层，构建单电极TENG（BS-TENG）。将该TENG附着于人体腹部时，可记录呼吸状态下的重复信号，通过电压信号的幅值来检测和区分浅呼吸和深呼吸，进而评估睡眠状态。

4.2 人体运动状态监测

除了监测人体生理信号，水凝胶基TENGs还可通过采集关节运动、步态、颈部运动等动态形变，监测人体运动状态，为运动损伤预防、康复训练评估及人机交互提供支持。

4.2.1 关节运动

关节运动是人体运动的重要组成部分，关节运动监测对于运动损伤的预防、康复训练的指导等具有重要意义。水凝胶基TENGs可以贴附在人体关节部位，采集关节运动时产生的机械变形和摩擦力，将其转化为电信号，实现对关节运动角度、速度、加速度等参数的监测。通过分析这些参数，可以了解关节的运动状态和功能，为运动损伤的诊断和康复训练提供依据。

Chen等^[43]以PDA/MXene/N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）水凝胶作为电极层、PDMS作为摩擦层，制备了PMN-TENG。将其附着于人体肘部、膝盖等关节部位，PMN-TENG能够有效地监测运动员的各种运动，例如膝关节运动时，PMN-TENG的输出电压从行走时的6.24 V上升到跳跃时的17.16 V。并且，该TENG的输出电压峰值与人体的运动强度之间存在直接关系，通过每个动作对应的输出电压信号波动情况能够对运动强度进行衡量，以帮助运动员更好地了解训练效果。

4.2.2 步态分析

步态分析是研究人体行走规律和特点的重要方法，对于诊断神经系统疾病、评估康复效果等具有重要价值。水凝胶基TENGs可以集成在鞋垫或鞋子中，采集人体行走时脚部与地面的接触力和运动参数，将其转化为电信号，实现对步态的分析。通过分析步态参数，如步长、步频、步态周期等，可以了解人体的行走能力和健康状况，为疾病的诊断和康复治疗提供参考。

Wang等^[44]制备了氧化石墨烯-聚丙烯酰胺（GO-PAM）水凝胶作为摩擦层，并以银纳米线作为上电极、铜作为下电极，分别贴附在GO-PAM水凝胶的上下表面组成“三明治结构”的TENG，用于监测人体的步态运动，如图12所示。将4个TENG分别安装在人体左、右脚的鞋底和鞋跟处，采集4个TENG所产生的模拟电压信号。将模拟电压转换成数字信号后由微控制器（MCU）传输到电脑。然后，对采集到的原始信号进行滤波，在去除噪声的同时保留原始信号的有用特征。最后，分别构建人工神经网络（ANN）模型、决策树（Decision Tree）模型和随机森林（Random Forest）模型对步态数据进行识别分析，并将三种模型应用于帕金森病、左侧偏瘫步态和右侧偏瘫步态的识别，以实时监测患者的恢复情况。

4.2.3 颈部运动

颈部运动监测对人们因数字设备的长期使用和久坐不动的生活方式导致的颈椎问题的预防具有重要意义。水凝胶基TENGs可以贴附在人体颈椎部位，采集颈部肌肉运动时产生的机械变形和摩擦力，将其转化为电信号，实现对颈椎肌肉变化的监测。通过颈部动作的精准识别，为预防颈椎问题提供依据。

Qu等^[45]以甘油（GL）/PVA水凝胶作为电极层、硅橡胶作为摩擦层，制备了单电极TENG（GH-TENG）。随后，将基于GH-TENGs的智能颈环佩戴在人体颈部，用于监测颈部肌肉的运动状态，如图13所示。颈部动作产生的电信号会被智能颈环捕获，并传输至微控制器。微控制器将采集到的模拟电信号转换为数字信号，然后通过Wi-Fi模块以无线方式将这些数字信号传输至计算机进行可视化处理。借助该智能颈环，可清晰观察到6种不同的颈部动作，即低头、抬头、左转、右转、左倾、右倾。每个动作在其对应的通道中表现出独特的波形特征，便于直观区分和识别颈部动作中的各种变化。依据这些信息及时调整颈部动作，就能够对颈椎问题做到及时预防。

为系统对比不同水凝胶基TENGs在人体健康监测中的性能表现，本节将前述典型研究案例的关键参数归纳于表2。

尽管水凝胶基TENGs在健康监测领域展现出巨大潜力，但其在实际穿戴应用中仍面临一些局限性。首先，长期信号稳定性存在挑战：水凝胶内部水分的蒸发或环境湿度的变化，易引起其电导率和机械性能发生变化，从而影响信号采集的长期一致性与准确性。其次，佩戴舒适度有待提升：部分高强度水凝胶的弹性模量与人体皮肤仍存在差异，长期接触可能导致局部压迫感或异物感。此外，动态环境下的信号干扰也不容忽视：人体运动过程中分泌的汗液会改变水凝胶与皮肤界面的接触状态，对心电、脉搏等微弱生理信号的信噪比造成干扰，增强信号提取与解析的难度。

5 结论与展望

水凝胶基TENGs凭借其优异的柔韧性、生物相容性和环境适应性，已成为柔性电子领域的关键研究方向。本文系统综述了面向人体健康监测的水凝胶基TENGs的研究进展。首先，介绍了水凝胶基TENGs的基本工作原理。其次，阐述了水凝胶材料在介电性质、表面特性、力学性能、导电性能以及环境稳定性方面的强化策略。接着，总结了水凝胶基TENG在人体健康监测中的应用情况。尽管水凝胶基TENGs的发展已取得显著进展，其未来研究仍面临多项关键挑战。具体而言，可以从以下三个方向进一步深化与拓展。

（1）提升水凝胶的长期耐久性与环境稳定性。通过引入动态共价键（如硼酸酯键）实现材料自修复，延缓微裂纹扩展；借助疏水-亲水微区调控、低挥发性溶剂（如离子液体、甘油）的引入等措施减缓水分蒸发，延长器件在极端环境（如高温、高湿度）下的使用寿命；并借助多级交联、纳米复合或表面封装等策略，增强水凝胶在反复拉伸、弯曲等动态载荷下的抗疲劳性能。

（2）优化水凝胶与异质材料的界面黏附性与集成性。系统研究水凝胶与金属、聚合物、纺织品等多种基底的黏附机制，发展基于多巴胺、聚多巴胺等仿生黏接层的通用界面技术；开发具有梯度模量或微结构图案化的界面过渡层，以缓解应力集中，并提高器件在动态形变下的界面稳定性；同时，探索低阻抗、高生物相容性的电极-皮肤界面材料与结构，提升生理信号采集的信噪比与佩戴舒适性。

（3）推动智能响应型水凝胶TENGs与系统集成。结合pH响应、温度响应等功能性水凝胶，发展可随环境或生理信号变化自主调节的智能传感TENGs；进一步集成微能源管理电路、低功耗无线传输模块（如蓝牙、NFC）与嵌入式信号处理单元，构建可独立工作的“传感-供能-通信”一体化柔性系统；并融合机器学习算法，实现对多模态生理信号（如心电、肌电、呼吸等）的实时分析与早期异常预警，从而提升健康监测系统的智能化与实用性水平。

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基金资助

国家自然科学基金项目(22378253)

中国博士后科学基金项目(2024M761895)

陕西省教育厅科学研究计划(24JK0357)

陕西省科技计划(2025JC-YBQN-146)

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Received	Published	Revised
2025-09-15	2026-06-24	2026-01-01
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2026-05-10

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