随着物联网、人工智能、柔性电子和医疗健康监测技术的快速发展，可穿戴电子设备对轻量化、可持续和自供能系统的需求日益增加。传统电池虽然能够提供稳定电能，但仍面临体积较大、容量有限、维护成本高以及环境负担等问题，难以长期满足分布式传感节点和柔性可穿戴器件的应用需求。摩擦纳米发电机（TENG）能够将人体运动、振动、步态、关节弯曲等低频机械能转化为电能，因而在自供能传感、健康监测、人机交互和运动康复等领域受到广泛关注。然而，面向真实可穿戴场景，TENG器件仍需要同时满足高输出、柔性适配、机械耐久、环境稳定和个性化结构设计等多重要求。针对这一问题，来自Griffith University的 Yu Lin Zhong教授团队发表综述论文，系统总结了先进纳米复合材料与3D打印技术在可穿戴TENG器件中的协同发展，为推动该类器件由实验室研究走向实际应用提供了清晰的材料与制造框架。

图1. 通过将纳米复合材料和3D打印技术相结合来实现TENGs进步的组合方法概述。

本文要点

纳米复合材料提升TENG的电学、力学与环境适应性：文章首先从材料层面系统分析了纳米复合材料在可穿戴TENG中的作用。TENG的输出性能很大程度上取决于摩擦电荷密度，而纳米填料可通过调控电子亲和性、功函数、介电常数、表面粗糙度和电荷陷阱效应，有效提升电荷产生与保持能力。例如，MXene、石墨烯、富勒烯、金属氧化物和钙钛矿型填料可通过提高电子捕获能力、增强界面极化或引入深能级陷阱，提高电压、电流和功率输出。与此同时，纳米复合设计并不只服务于电学性能。高长径比填料，如CNT、Ag纳米线和二维MXene，可在柔性基体中构建增强网络，提高材料在拉伸、弯折和反复摩擦过程中的稳定性。部分水凝胶、弹性体和天然聚合物复合体系还可通过氢键、金属配位或动态共价键实现自修复功能，从而延长器件服役寿命。文章还指出，抗菌、自清洁和疏水纳米填料可提升TENG在汗液、湿度、污染和长期皮肤接触环境中的适应性，这对于可穿戴器件尤为关键。

3D打印推动TENG从平面器件走向复杂可定制结构：在制造方法方面，文章重点梳理了直接墨水书写（DIW）、熔融丝材制造（FFF）、喷墨打印、立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、液晶显示光固化（LCD）和直接图像光刻（DIL）等3D打印技术在可穿戴TENG中的应用。统计结果显示，2016—2025年间，3D打印可穿戴TENG相关研究总体呈快速增长趋势，其中挤出式打印占据主导地位，DIW约占45.8%，FFF约占31.9%。DIW因材料适配性强、可打印弹性体和功能油墨，成为构建柔性摩擦层、电极和多材料结构的重要方法；FFF具有成本低、成型快和工艺成熟等优势，但受限于热塑性材料刚性较高，常更多用于模具或支撑结构制备。相比之下，SLA、DLP、LCD等光固化打印技术具有更高分辨率和更好的结构精度，适合构建微结构阵列和复杂表面形貌，但目前受限于可用于TENG的光固化功能材料种类不足。总体来看，3D打印的价值不仅在于“做出器件”，更在于通过数字化设计实现微结构调控、曲面贴合、多层集成和个性化几何构型，为可穿戴TENG提供传统加工难以实现的结构自由度。

纳米复合材料与3D打印的协同优势：文章进一步指出，纳米复合材料与3D打印并不是两个独立技术模块，而是在材料优化和器件制造层面具有明显协同关系。一方面，3D打印过程中的剪切、层层沉积和原位固化有助于改善纳米填料在聚合物基体中的分散状态，并可通过多材料打印实现导电相、压电相和摩擦电相的空间可控排列。例如，多材料DIW可将BaTiO3压电墨水与CNT导电墨水交替沉积，形成具有明确极化路径和均匀电场分布的复合结构。另一方面，纳米填料也可改善打印油墨的流变性能，提高DIW过程中的剪切变稀行为和打印保形性。通过引入SiO2、PTFE、CNT或MXene等填料，低黏度聚合物体系可转变为适合挤出打印的功能墨水。更重要的是，3D打印能够构建多孔、层级、微图案化和仿生结构，从而增加接触面积、提高电荷捕获能力，并改善机械柔性与耐久性。该综述强调，这种“材料功能化+结构数字化”的耦合设计，是推动可穿戴TENG性能提升和系统集成的重要方向。

应用场景与未来挑战：在应用方面，3D打印纳米复合TENG已广泛用于运动与健康监测、柔性传感、人机交互、环境适应型可穿戴器件和能量收集系统。代表性应用包括步态分析、关节运动监测、足底压力检测、脉搏和呼吸信号监测、咳嗽识别、电子皮肤、智能手套、运动员动作识别以及腕带式能量采集等。与此同时，文章也客观指出，该领域仍面临多重挑战。首先，纳米填料通常同时影响介电行为、表面面积、功函数和电荷陷阱效应，单一因素对器件输出的贡献仍难以准确区分，需要多尺度模拟、原位表征和系统实验共同支持。其次，纳米填料在打印过程中的分散稳定性、界面结合、相分离和油墨老化问题仍会影响器件重复性和规模化制造。再次，可用于光固化打印的高介电、高柔性和高摩擦电功能材料仍然有限，限制了高分辨率结构制造的进一步发展。此外，当前不同研究在测试力、频率、湿度、温度、负载电阻和信号采集设备方面缺乏统一标准，导致器件性能难以横向比较。总体而言，这篇综述的核心意义在于，它将先进纳米复合材料与3D打印技术放在同一设计框架下进行讨论，指出未来可穿戴TENG的发展不应只追求单一输出提升，而应围绕材料—结构—制造—系统集成协同优化，进一步推动自供能可穿戴电子从概念验证走向真实应用。

作者简介

Yulin Zhong（钟育霖）教授本科及博士阶段均就读于新加坡国立大学，获得应用科学（化学）荣誉学士学位和博士学位。博士毕业后，他先后于2009年和2011年前往美国普林斯顿大学和麻省理工学院开展博士后研究工作，在先进材料与纳米科技领域积累了丰富的科研经验。在美国工作三年后，Yulin Zhong教授返回新加坡，担任新加坡科技研究局生物工程与纳米技术研究所研究科学家。2013年，他赴澳大利亚开启学术生涯，并获得澳大利亚研究理事会（ARC）杰出青年研究学者基金，在莫纳什大学从事教学与科研工作。2016年，Yulin Zhong教授加入格里菲斯大学担任高级讲师。凭借其在材料科学、纳米技术及能源材料领域的卓越研究成果，他于2020年获得澳大利亚研究理事会未来学者基金。2025年，他获任澳大利亚研究理事会专家评审委员会成员，参与国家科研项目评审与科研战略发展工作。Yulin Zhong教授长期致力于先进功能材料、纳米技术及能源相关材料的研究，在国际高水平学术期刊发表多篇论文，并主持多项国家级科研项目，在相关研究领域具有重要的国际影响力。

赵妍，现为澳大利亚格里菲斯大学博士研究生，主要从事摩擦纳米发电机（TENGs）、先进纳米复合材料、柔性电子器件及3D打印功能材料等方向的研究。本科及硕士毕业于湖北工业大学材料科学专业。在攻读博士学位之前，曾先后在航天科技研究机构、国家级新型研发机构及高新技术企业从事科研开发与项目管理工作，研究领域涵盖柔性导电材料、可穿戴设备、生物医学监测系统、智能传感器及先进功能材料等，在功能材料研发与产业化方面具有丰富经验，发表多篇学术论文并申请多项发明专利。当前研究重点聚焦于自供能可穿戴系统、先进纳米复合材料设计及其在能源采集与智能传感领域的应用。

原文信息：

Yan Zhao, Eric Campbell, Timothy Biddle, Sina Jamali, Muhammad J.A. Shiddiky, Yu Lin Zhong*

Recent advances in 3D printing of advanced nanocomposites for wearable TENG devices

Advanced Nanocomposites, 2026, 3: 84-108.

https://doi.org/10.1016/j.adna.2025.12.004

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