博文

新加坡国立大学Chengkuo Lee等综述：摩擦电可穿戴传感器，从自驱动感知到AI人机交互一体化

已有 141 次阅读 2026-7-28 08:07 |系统分类:论文交流

Triboelectric Wearable Sensors for Human-Centric Smart Electronics: From Self-Powered Sensing to Artificial Intelligence-Assisted Human–Machine Interface Systems

Yoonsang Ra, Sumin Cho, Xinge Guo, Dongwhi Choi & Chengkuo Lee

Nano-Micro Letters (2026)18: 402

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02263-z

本文亮点

1. 构建可穿戴摩擦传感体系：本文面向可穿戴摩擦传感器，系统涵盖自驱动传感原理、材料选型、器件架构与制备策略。

2. 聚焦智能感知与交互：本文围绕人工智能辅助信号处理、摩擦电人工突触和神经形态计算，详述自驱动传感与自适应人机界面的关键应用。

3. 拓展以人为中心的应用：本文梳理智能电子的典型应用与前沿方向，涵盖医疗健康、手势交互、机器人、智能交通及下一代具身智能系统。

研究背景

人工智能、物联网与元宇宙技术飞速发展，智能设备深度融入医疗、工业、虚拟交互、自动驾驶等场景，人机交互(HMI)成为下一代智能电子的核心瓶颈。传统传感设备依赖电池供电、刚性体积大、信号杂乱、穿戴舒适性差，难以长期贴合人体持续采集生理、运动信号；同时原始机械传感信号噪声高、非线性强，单纯硬件采集无法实现自适应识别、个性化交互。

摩擦纳米发电机(TENG)依托摩擦起电效应，可将人体运动、触碰等机械能直接转化电信号，实现无电池自驱动传感，具备材质选择广、柔性可拉伸、皮肤贴合、纺织一体化等天然优势。但现阶段摩擦传感器仅停留在基础信号采集层面，缺少智能信号处理体系，难以满足高精度、多模态、实时自适应交互需求。

内容简介

随着智能电子产品深度融入日常生活、医疗健康、虚拟交互与辅助装备等领域，人机交互(HMI)亟需兼具可穿戴、自供电特性，且可将人体信号转化为自适应机器指令的感知平台。摩擦电可穿戴传感器恰好契合这一需求：它能直接将人体产生的机械刺激转化为电信号，拥有丰富的材料选择与灵活的结构设计空间，可适配各类人体贴合式硬件形态。

新加坡国立大学Chengkuo Lee、韩国庆熙大学Dongwhi Choi等人对两个核心概念作出界定：文中 “可穿戴” 特指穿戴式、皮肤贴合、织物集成或其他人体附着型摩擦电传感平台；“以人为中心智能电子” 则是以人体传感信号为核心，完成信号采集、解析、反馈与控制的下游电子系统。基于上述定义，本文系统梳理摩擦电可穿戴传感器从底层基础到实际应用的完整体系，详述其工作机理、材料筛选、器件结构与制备工艺。同时，本文阐释了 AI 信号处理、摩擦电人工突触、神经形态计算三大核心技术，阐明其作为衔接自驱动传感与智能人机交互的关键纽带作用。

本文以摩擦电可穿戴传感作为人体输入核心载体为前提，分类介绍医疗健康、手势识别、设备操控、沉浸式虚拟交互、穿戴 - 机器人联动、智能交通六大典型应用场景。最后，总结现阶段尚存技术瓶颈，并展望下一代以人为中心智能电子的发展路径。

图文导读

I 摩擦电与自驱动传感技术

图1. 人机交互技术面向自动化、智能化未来生活，在新一代人机交互中发挥多元且关键作用。

图2. (a) 摩擦电传感器工作机理；(b) 摩擦起电效应基础原理。

图1 概述了新一代人机交互技术的多元类型与应用价值，展现了智能化、自动化生活场景下人机界面的发展格局。图2展示了摩擦起电基本效应与摩擦电传感器的核心工作机理，阐明了器件依靠机械刺激实现无源自驱动传感的物理本质，是全文所有器件与应用研究的基础理论依据。

图3. 摩擦电传感器的核心组成与主流材料。

图4. 常见摩擦材料。

图3-4展示了摩擦电传感器的核心材料组成、结构体系及经典摩擦电序列，明确了材料选型、摩擦配对的基本准则，为高性能传感器件的结构设计与性能优化提供了基础材料支撑。

图5. 自驱动可穿戴传感技术的快速发展历程。

图6. 摩擦电传感器的工作模式、材料特性与制备工艺。

图5直观呈现了自驱动可穿戴传感技术的迭代发展历程，印证了该领域近年高速发展的研究态势，体现了器件从基础探索向实用化、智能化演进的整体发展脉络。图6作为器件研发的核心进展图谱，系统汇总了现阶段摩擦电传感器主流的工作模式、核心材料特性与标准化制备工艺，涵盖不同结构器件的适用场景、性能优劣以及可量产制备方案，为柔性化、高稳定、适配多场景的新型摩擦电传感器开发奠定了坚实的技术基础。

II 从摩擦电可穿戴传感到自适应人机界面——人工突触与神经形态计算

图7. 摩擦电人工突触。(a) 具备学习与记忆功能的自驱动人工触觉传感器。(b) 柔性本征突触触觉传感器。(c) 接触起电驱动型人工传入神经元。(d) 基于生物传入神经系统的摩擦电人工突触(TAS)器件。(e) 零偏置、具备多模态触觉感知的仿生指尖电子皮肤。

图 7 系统展示了各类摩擦电人工突触仿生感知器件的代表性研究成果，集中体现了摩擦电传感技术向仿生神经智能感知方向的突破性发展。其中，图 7a 构建出具备学习与记忆功能的自驱动人工触觉传感器，摆脱外接电源依赖，实现了触觉信号的智能化记忆与迭代感知；图 7b 研发的柔性本征突触触觉传感器，兼具优异柔韧性与仿生突触响应特性，可贴合复杂曲面，适配可穿戴柔性感知场景；图 7c 提出接触起电激活的人工传入神经结构，成功将机械触觉信号转化为类神经电信号，模拟人体神经传导机制；图 7d 依托生物传入神经系统架构，开发出摩擦电突触(TAS)器件，实现了仿生结构化神经感知与信号传输；图 7e 设计的零偏置仿生指尖电子皮肤，集成多模态触觉感知能力，结合机器学习实现全方位、高精度触觉认知。整体而言，该组器件通过摩擦电技术与生物突触仿生深度融合，模拟人体感知、传导、记忆的生物功能，解决了传统传感器功能单一、智能化不足的短板，为自驱动类脑感知与智能人机交互提供了核心器件支撑。

图8. 摩擦电类脑计算系统。(a) 面向快速自主防护的仿生运动感知系统。(b) 基于摩擦电高分子传感器的触觉类脑系统。(c) 类脑计算辅助摩擦 - 电容耦合触觉传感器阵列。(d) 生物触觉 / 视觉神经元与机光协同人工突触。

图8系统展示了摩擦电神经形态计算系统的系列前沿成果，实现了摩擦电传感从被动感知到智能计算的跨越。其中图8a为仿生运动感知系统，可模拟生物感知逻辑实现快速自主防护响应；图8b搭建了基于摩擦电高分子传感器的触觉神经形态系统，可智能解析触觉信息；图8c创新融合类脑计算与摩擦-电容耦合传感阵列，显著提升了触觉识别的精度与抗干扰能力；图8d构建了生物触觉/视觉神经元协同的机光人工突触，实现了多感官融合仿生感知。整套工作通过硬件器件与智能算法结合，突破了传统传感器仅采集信号的局限，推动了摩擦电器件向类脑智能感知方向发展。

III 基于人工智能的摩擦电可穿戴传感器及其在个性化交互技术中的应用

图9. 医疗健康领域应用。(a) 用于超灵敏心音检测的摩擦电听诊器。(b) 自驱动穴位压力传感设备。(c) 基于摩擦电可穿戴传感器的步态与腰部运动监测设备。(d) 摩擦电颈部运动检测传感器。(e) 用于腰椎退行性病变诊断的有源矩阵传感阵列。(f) 人体脉搏实时检测器件。

图9集中展示摩擦电可穿戴传感器在医疗健康无创监测的多元应用场景，各子图覆盖多类人体生理与运动健康监测需求。图9a研制超灵敏摩擦电听诊器，可精准捕捉微弱心音信号，实现高精度心脏声学监测；图9b实现自驱动穴位压力传感，为人体穴位理疗与状态监测提供无源化新方案；图9c依托可穿戴传感器完成人体步态与腰部运动的长效监测分析；图9d构建摩擦电颈部传感体系，可实时捕捉颈部运动姿态，用于体态健康评估；图9e开发有源矩阵传感阵列，可辅助腰椎退行性病变的智能诊断；图9f实现人体脉搏的实时、无创精准检测。该系列柔性自驱动器件解决了传统医疗设备笨重、需供电、无法长期穿戴的痛点，适配日常健康监护与康复评估场景。

图10. 手势识别相关应用。(a) 可实现全键盘输入的自驱动手势识别手环。(b) 支持多模态感知与增强触觉反馈的模块化智能手套。(c) 摩擦电 - 惯性融合传感智能手套。(d) 搭载深度学习算法的自驱动触觉传感器。(e) 自驱动导电超疏水摩擦电织物传感器。(f) 基于增强触觉感知指环(ATH-Ring)的智能交互系统。

图10聚焦智能手势识别可穿戴设备，展示了不同形态、不同功能的摩擦电交互器件。图10a研发自驱动手势识别手环，可实现全键盘手势输入，构建轻量化人机交互方式；图10b设计模块化智能手套，集成多模态传感与增强触觉反馈功能，交互体验更丰富；图10c创新融合摩擦电与惯性传感技术，大幅提升复杂手势动作的识别稳定性；图10d将深度学习算法与自驱动触觉传感器结合，实现触觉信号的智能分辨与精准解析；图10e制备超疏水导电摩擦电织物传感器，兼顾柔性穿戴与环境耐受能力；图10f搭建基于智能感知指环的微型交互系统，实现精细化、轻量化手势交互，丰富了可穿戴智能交互的应用形态。

图11. 设备控制领域应用。(a) 适用于通用手语识别的智能手势传感设备。(b) 基于摩擦电弯曲传感器的智能手套。(c) 多指操控虚拟钢琴交互系统。(d) 用于警务射击训练优化的自驱动智能射击传感系统。(e) 手势操控玩具小车传感装置。(f) 基于摩擦电传感器件(TES)的车载智能腰带。(g) 基于摩擦纳米发电机(TENG)的眼动追踪静电交互界面。(h) 集成环形摩擦传感器(STTS)的 3D 打印柔性可穿戴手套。(i) 面向人机交互的摩擦电智能手环。

图11展示摩擦电传感器在多场景智能设备控制中的落地应用，实现从手势识别到设备智能操控的闭环交互，覆盖民用、特种、车载、无人设备等多领域。图11a可精准识别通用手语，为无障碍智能交互提供技术支撑；图11b基于摩擦电弯曲传感器打造智能手套，实现手部姿态识别与设备联动控制；图11c依托多手势识别能力，完成虚拟钢琴多指操控，拓展娱乐交互场景；图11d构建自驱动智能射击系统，可用于警务射击训练优化；图11e通过手势识别实现玩具小车的灵活操控，验证了轻量化交互的实用性；图11f设计智能传感腰带，可实现车辆运动状态感知与智能控制，适配智能出行场景；图11g搭建基于摩擦纳米发电机的眼动追踪界面，实现无接触智能操控；图11h开发3D打印柔性可穿戴手套，适配高精度结构化传感与控制场景；图11i研制摩擦电智能手环，构建简洁高效的日常人机交互控制体系。

图12. 元宇宙相关应用。(a) 虚实交互系统。(b) 自驱动人机交互传感器及其虚拟游戏应用场景。(c) 基于深度学习的幅值 - 频率感知与步态识别方案。(d) 用于优化警务射击训练的自驱动智能射击系统。(e) 面向元宇宙的多模态感知与反馈平台。(f) 面向元宇宙的多模态感知与反馈平台。

图12针对元宇宙虚实融合交互场景，展示了摩擦电可穿戴技术的前沿应用探索，有效解决传统虚实交互设备高功耗、高延迟、穿戴繁琐的问题。图12a搭建高精度虚实交互系统，打通人体真实动作与虚拟场景的实时联动通道；图12b依托自驱动人机交互传感器，实现虚拟游戏场景的沉浸式体感交互；图12c结合深度学习算法，通过幅值-频率传感与步态识别技术，提升虚实联动的识别精度与稳定性；图12d将智能传感技术应用于虚拟射击仿真训练，可辅助警务模拟训练；图12e与图12f分别构建多模态感知与反馈一体化交互平台，可同步实现动作采集、信号反馈、虚实联动，为元宇宙沉浸式、轻量化人机交互提供了可靠的技术方案。

图13. 机器人与柔性夹持器领域应用。(a) 搭载摩擦电多模态触觉传感器(TMTS)的智能机器人手指，用于物体识别。(b) 基于多模态感知的柔性夹持器，通过训练好的卷积神经网络(CNN)模型实现实时识别。(c) 集成数字孪生无人仓储系统的智能夹持器。(d) 面向智能分拣系统、具备触觉感知功能的智能抓取装置。(e) 可抓取不同果蔬并具备物体识别功能的智能夹持器。

图13集中呈现智能机器人与柔性夹持器的摩擦电传感应用，有效弥补了传统机械手缺乏触觉感知、易损工件、精度不足的短板。图13a搭载摩擦电多模态触觉传感器的智能机器手指，可精准完成各类物体的识别与感知；图13b结合训练完成的CNN卷积神经网络模型，让柔性夹持器具备实时识别能力，适配柔性抓取作业；图13c融合数字孪生技术，搭建智能夹持无人仓储系统，实现仓储作业智能化、无人化；图13d依托高精度触觉感知体系，构建智能分拣系统，显著提升物料分拣精度与效率；图13e优化传感识别策略，可精准识别并柔性抓取各类果蔬，实现易碎物件无损作业，有力推动了柔性智能装备与工业自动化的技术升级。

图14. 智能交通与先进出行领域应用。(a) 可穿戴摩擦电传感手套，用于有条件自动驾驶车辆中的实时行为识别与接管时间调整。(b) 在有条件自动驾驶中，利用深度学习辅助摩擦电传感器实现非驾驶行为实时识别。(c) 基于摩擦电传感器与混合学习方法的 L3 级自动驾驶车辆接管时间预算推断。(d) 面向智能交通协同感知的人工智能辅助自驱动车路一体化电子系统。(e) 适用于复杂环境的高鲁棒性摩擦电轮胎监测系统，可实现自驱动行驶信息识别。(f) 基于自修复水凝胶的摩擦电智能手套，可实现无人机安全防护与运动控制一体化。

图14面向智能交通与先进出行领域，展示了摩擦电可穿戴传感在自动驾驶、车路协同、无人设备管控等前沿场景的创新应用。图14a采用可穿戴传感手套，实现自动驾驶场景下的人体行为实时识别与车辆接管时间动态调控；图14b依托深度学习辅助摩擦电传感技术，精准识别驾驶员非驾驶行为，提升自动驾驶安全性；图14c结合混合学习算法，可精准推断L3级自动驾驶车辆的安全接管时间，为智能驾驶安全管控提供数据支撑；图14d搭建AI辅助自驱动车路一体化感知系统，实现智能交通协同感知；图14e研发高环境稳定性的摩擦电轮胎监测系统，可无源实时识别车辆行驶状态信息；图14f基于自修复水凝胶材料制备智能手套，实现无人机安全防护与运动控制一体化，全面覆盖智能驾驶、智能交通、无人装备管控等高端出行场景。

图15. 面向以人为中心的智能电子的未来发展方向。(a) 具备可拉伸电子铠甲、用于双模触觉与应变传感的智能结肠镜机器人。(b) 用于多模态触觉感知及机器学习辅助整体触觉认知的零偏置仿生指尖电子皮肤。(c) 面向二维触觉与三维空间混合交互的人体耦合驱动、面向对象的自然交互界面。(d) 用于多模态位置与力感检测、实现机器人灵巧操作的仿生微结构摩擦电触控板。(e) 用于可穿戴传感、生理监测与人机交互的仿皮肤超分子两性离子低共熔凝胶界面。

图15汇总了以人为中心的智能电子器件前沿发展方向，展示了下一代仿生、多模态、高适配智能可穿戴与精密感知器件的突破性研究，代表了领域未来的核心发展趋势。图15a研发带有可拉伸电子铠甲的智能结肠镜机器人，集成双模触觉与应变传感功能，为柔性医疗机器人的精准检测与安全作业提供全新方案；图15b开发出零偏置仿生指尖电子皮肤，兼具多模态触觉感知与机器学习辅助全局触觉认知能力，依托触觉与应变双传感机制，大幅提升仿生触觉的智能化与精准度；图15c提出人体耦合驱动的面向对象自然交互界面，可同时适配二维触觉交互与三维空间交互，突破了传统交互模式维度单一的局限；图15d设计仿生毛发结构的摩擦电触控板，可实现高精度位置与力值多模态感知，支撑机器人灵巧精细操作；图15e创新构建仿皮肤超分子两性离子低共熔凝胶界面，兼顾可穿戴传感、生理监测与人机交互多重功能，具备优异的生物适配性与服役稳定性。整体而言，该系列前沿器件从材料创新、结构设计到功能集成全面升级，为下一代高仿生、多维度、人机共融的智能电子系统提供了全新技术范式。

图16. 人工智能辅助摩擦电可穿戴传感器的总结、挑战与展望。

图16为全文总结性核心图谱，系统凝练了AI辅助摩擦电可穿戴传感领域的整体研究全貌、现存技术瓶颈与未来发展方向。首先全面梳理了该领域的核心技术优势，包括无源自驱动、柔性人体贴合、AI赋能智能解析、多场景适配等核心特性，汇总了从基础机理、材料器件、智能算法到全场景应用的完整研究体系。其次精准剖析了现阶段领域发展的关键瓶颈，主要包含功能材料长期服役稳定性不足、多模态传感信号耦合干扰严重、智能算法专用性与适配性欠缺、器件规模化制备与产业化落地难度大等核心问题。最后针对性展望了领域未来的重点研究方向，明确了材料改性、结构优化、智能算法迭代、多技术融合、场景产业化落地等核心发展路径，为后续该领域的基础研究深化与技术应用推广提供了全面、清晰、权威的研究指引。

IV 总结

本文系统梳理了人工智能辅助摩擦电可穿戴传感器的完整研究体系与应用生态。依托摩擦起电自驱动机理与柔性材料优势，该类器件摆脱传统传感器供电依赖、刚性结构、高功耗等短板，通过人工突触仿生、神经形态计算、深度学习算法赋能，成功实现从基础物理感知到智能认知、自主决策的技术跃升。目前该技术已全面落地医疗健康、手势交互、智能设备控制、元宇宙虚实融合、柔性机器人、智能交通等多领域场景，形成了多维度、高适配、低成本的智能感知解决方案。同时，领域正持续向高仿生、多模态集成、人机深度共融、高稳定耐用的前沿方向迭代，通过新型功能材料、柔性机器人、多维交互架构的创新融合，为下一代可穿戴智能电子、具身智能系统与沉浸式人机交互技术的发展奠定了坚实基础。

作者简介

Chengkuo Lee

本文通讯作者

新加坡国立大学教授

▍主要研究领域

长期从事MEMS/NEMS、智能传感器、自供能系统、能量收集、柔性电子、可穿戴器件及硅光子学等领域研究，在微纳器件与智能传感领域具有重要国际影响力。

▍主要研究成果

Chengkuo Lee教授现任新加坡国立大学(National University of Singapore)电气与计算机工程系GlobalFoundries Chair Professor，并担任智能传感器与微机电系统中心(CISM)主任。已发表高水平学术论文数百篇，多次入选科睿唯安全球高被引科学家(Highly Cited Researcher)，担任多个国际知名期刊编委和国际学术会议主席。

▍Email：elelc@nus.edu.sg