研究背景:
随着可穿戴电子、智能传感器及物联网终端的快速发展，对便携式、分布式电源系统的需求日益增长。然而，传统化学电池在寿命、柔性及环境适应性方面存在局限，且维护与更换成本较高，难以满足新一代微型电子器件对持续供能的需求。因此，开发无需外部电源的能量获取技术成为关键。在多种环境能量中，人体运动所蕴含的低频机械能因其广泛性、可持续性和安全性，成为极具潜力的能量来源。尽管基于压电、摩擦电等方式的能量采集技术已得到广泛研究，但其输出易受环境与材料因素影响，且通常依赖外部整流电路，从而在一定程度上限制了系统的能量密度与结构简洁性。近年来，摩擦伏特效应作为一种新兴半导体效应，可通过动态界面直接输出直流电，为实现高效机械能收集与自供能传感提供了新的解决方案，并在柔性可穿戴电子领域展现出广阔应用前景。
亮点 Highlights:
本文综述了摩擦伏特效应在人体运动能量收集与自供能传感领域的研究进展，重点阐述其能量转换机理、界面电荷调控策略及器件设计思路。通过对不同半导体材料体系与结构构型的分析，揭示了摩擦伏特效应在提升输出稳定性、机械耐久性及生物相容性方面的独特优势。此外，本文总结了该效应在自供电传感和运动能量采集方面的典型应用。最后，探讨了实现柔性化、集成化与高效化发展的关键挑战与未来方向，为构建新一代自供能可穿戴电子系统提供了理论指导与技术参考。
文章解读
本文首先梳理了摩擦伏特效应在人体运动能量收集和自供电传感领域的发展脉络，从传统摩擦电与压电能量采集技术受限于高内阻、功率密度低及复杂电源管理问题出发，引入基于半导体界面的摩擦伏特效应，实现低内阻、更高功率密度和简洁的系统设计。器件形态逐步向柔性、织物化发展，并从单一能量收集拓展至自供电传感与系统集成，体现了可穿戴应用到智能化系统演进的整体趋势。
图1 近年来摩擦伏特效应在人体运动能量收集和可穿戴自供电传感领域的进展
然后，本文介绍了摩擦伏特效应的工作机制，因金属与半导体费米能级不同（假设半导体费米能级高于金属），电子从半导体流向金属，使金属表面带负电、半导体表面带正电。金属在半导体表面滑动时，摩擦能激发非平衡电子-空穴对。这些载流子在界面电场作用下分离，电子向金属迁移、空穴向半导体内部移动，电子持续流入金属并在外电路中形成电流和电压。
图2 摩擦伏特效应的工作原理
随后，本文综述了摩擦伏特效应在人体运动能量收集领域的应用，这些研究详细介绍了基于摩擦伏特效应收集人体运动能量的多种策略。每项工作都聚焦于提升输出功率、机械灵活性和耐用性，共同为可穿戴自供能系统的发展提供宝贵的设计见解。此外，摩擦伏特发电机在自供能传感领域的发展已从简单的薄膜结构发展为多层、三维和纺织集成架构，这些进步极大提升了灵活性、耐用性和传感精度，为可穿戴健康监测、运动追踪和人机界面的实际应用铺平了道路。
图3 摩擦伏特效应在人体运动能量收集领域的应用
图4 摩擦伏特效应在可穿戴自供电传感领域的应用
最后，本文展望了摩擦伏特效应在可穿戴领域的未来发展方向，尽管当前在材料稳定性、界面工程以及系统集成等方面仍面临诸多挑战，但其独特的物理特性为实现高性能、柔性化和长期稳定的自供电系统奠定了基础。未来的研究应着重在材料创新、界面优化、结构设计与系统集成等层面协同推进，通过设计高载流子迁移率的半导体材料、引入多机制耦合结构以及集成低功耗柔性电源管理电路，进一步拓展摩擦伏特效应的应用范围。
图5 摩擦伏特效应在可穿戴领域的应用展望
读后感:
本文系统综述了摩擦伏特效应在人体动能收集与可穿戴自供电传感领域的机理、应用与挑战，并展望了其未来发展方向。摩擦伏特效应为实现机械能向电能的高效转换提供了全新的途径，并在自供电传感与人体动能收集等领域展现出巨大潜力，该效应为可穿戴电子设备提供了一种高功率密度发电和易于电源管理的微能源解决方案。可以预见，随着材料科学、柔性电子、能源管理及人工智能的不断融合，摩擦伏特效应将成为构建下一代高性能、可持续、完全自供电的智能可穿戴电子系统的重要基础，为人体运动监测及人机融合交互等领域开辟新的发展方向，并在未来的物联网与智能感知体系中发挥关键作用。
作者简介:
第一作者：罗飞岭，中国科学院北京纳米能源与系统研究所，博士生
通讯作者：张弛，中国科学院北京纳米能源与系统研究所，研究员、博士生导师
基金支持:
这项工作得到了国家自然科学基金原创探索计划项目及其延续项目（52250112、52450006）的资助。
【文献链接】
Luo, F., Gong, L., Liu, G., Luan, R., Zhao, J., & Zhang, C. Recent Advancements in the Tribovoltaic Effect for Human Motion Energy Harvesting and Wearable Self-Powered Sensing. Wearable Electronics (2026).
https://doi.org/10.1016/j.wees.2026.01.001
期刊介绍:
Wearable Electronics （WE）是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。
期刊由电子器件、有机无机材料、集成技术等学科领域方向的高水平学术带头人组成国际化一流编委团队,海外编委专家约50%。编委队伍的专家均在相关领域深耕多年，在顶级学术期刊如Science、Nature、Nature系列大子刊，Advanced Materials等上发表论文多篇，在相关学术领域有广泛的影响力和号召力，编委成员H-index均值超过60。
期刊自2024年5月18日创刊以来，不到一年即被Ei Compendex、INSPEC、CAS（美国化学文摘）、EBSCOhost等多个数据库收录。在SD平台的平均单篇阅读量近3000次。
期刊近50%的文章被EurekAlert、 Newswise、 AlphaGalileo等新闻平台报道，受到广泛关注，多篇文章在Twitter、领英等社交媒体的关注度超万次，近40%发表的文章Almetric指数超过40。
我们诚挚地邀请您将研究成果发表在Wearable Electronics （WE）上。
高质量开放获取期刊：所有文章将经过严格的同行评审，发表在月活用户超过2000万的ScienceDirect平台，供全球读者免费阅读、下载及引用
数据库收录：ESCI，CAS，EBSCOhost, INSPEC, EI Compendex
审稿速度：初审一周，投稿到发表周期三个月
作者服务：严格评审，语言润色，制图，推广服务
期刊目前免收APC，欢迎投稿
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自科爱KeAi科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3496796-1533714.html?mobile=1
收藏
