解锁无限动力：可穿戴能源采集设备的奥秘与未来

发表于2025-07-24|更新于2025-07-26|科技前沿

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大家好，我是 qmwneb946，一个对技术和数学充满热情的博主。在当今这个数字驱动的世界，我们被各种智能设备所包围——从智能手机、智能手表，到无线耳机和健康监测器。它们极大地方便了我们的生活，但也带来了一个普遍的痛点：电量焦虑。我们的设备似乎永远在寻找下一个充电口，电池续航成为衡量设备性能的关键指标之一。

想象一下，如果有一天，你的智能手表可以仅仅依靠你的体温或行走步数就能永远保持活力；你的植入式医疗设备无需频繁更换电池，从而减少手术风险；你的智能服装能通过捕捉环境能量为你的耳机供电。这并非科幻，而是“可穿戴能源采集设备”正在努力实现的目标。

在接下来的这篇文章中，我们将深入探索可穿戴能源采集这一迷人领域。我们将从基本原理讲起，逐步揭示各种前沿技术，剖析它们的优势与挑战，并展望它们如何塑造我们未来的生活。准备好了吗？让我们一起踏上这场关于能量自由的探索之旅！

第一章：超越插座：可穿戴能源采集的核心理念

什么是能源采集？

能源采集（Energy Harvesting），顾名思义，就是从环境中“收集”和“转化”能量的过程。这些环境能量可以是随处可见的，但通常是微弱或分散的，例如光、热、振动、无线电波，甚至是人体的运动和生物化学反应。能源采集的目标是将这些原本被浪费的能量转化为可用的电能，为低功耗电子设备提供持续的电力。

与传统的发电方式（如火力、水力、核能）相比，能源采集的显著特点在于其无源性、分布式和环境友好性。它不依赖外部燃料供应，可以在设备运行的本地环境自主供电，并且通常不会产生有害排放物。

为何是“可穿戴”？

当我们将能源采集技术与“可穿戴”结合时，其意义便超越了简单的供电。可穿戴设备，顾如其名，需要与人体紧密接触或集成到衣物中。这意味着它们必须具备以下特性：

轻便与柔软： 不能给佩戴者带来负担或不适。
安全与生物兼容性： 材料不能对人体有害。
高效性： 尽管环境能量微弱，仍需尽可能高效地转化为电能。
耐用性： 能够承受日常磨损、弯曲、拉伸，甚至洗涤。
美观性与集成度： 能够无缝融入时尚或日常用品中。

因此，可穿戴能源采集设备的目标是利用人体自身的能量（运动、体温、汗液）或其所处环境的能量（光、振动、RF信号），在不依赖传统电池充电的情况下，实现设备的长效甚至永久续航。这对于物联网（IoT）设备、无线传感器网络、智能医疗设备以及各种消费电子产品而言，具有颠覆性的潜力。

第二章：能量的魔法：可穿戴能源采集的关键技术

可穿戴能源采集是一个多学科交叉的领域，融合了材料科学、物理学、电子工程和生物工程等前沿知识。以下我们将详细探讨几种主要的能量采集技术及其在可穿戴领域的应用。

2.1 机械能采集：运动中的电火花

机械能，尤其是人体运动产生的动能和振动能，是可穿戴设备最直接、最丰富的能量来源之一。想象一下我们每天的行走、跑步、手臂挥动，甚至只是心跳和呼吸，都在持续产生能量。

2.1.1 压电效应：压力即是电能

工作原理：
压电效应（Piezoelectric Effect）是指某些晶体材料（如石英、陶瓷、聚合物PVDF）在受到机械应力（压力、拉伸、弯曲）时，其内部产生电荷分离，从而在其表面形成电位差（电压）。反之，施加电压也能引起材料的机械形变，这称为逆压电效应。

用数学语言描述，压电材料的电位移 $D$ 与应力 $T$ 和电场 $E$ 的关系可以表示为：

$D = d \cdot T + \epsilon^T \cdot E$

其中， $d$ 是压电系数，表示单位应力下产生的电位移； $\epsilon^T$ 是恒定应力下的介电常数。

当人体活动引起压电材料形变时，例如在鞋垫中行走，或者在智能服装中随身体弯曲，材料就会产生瞬时电压，从而驱动外部电路。

材料与应用：

无机压电陶瓷： 如钛酸钡（BaTiO $_3$ ）、锆钛酸铅（PZT）。它们具有高压电系数，但通常较硬、脆，难以集成到柔性可穿戴设备中。
压电聚合物： 如聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物（P(VDF-TrFE)）。这些材料柔韧性好，生物兼容性强，是可穿戴设备的理想选择。它们可以制成薄膜、纤维甚至纺织品。
纳米压电材料： 如氧化锌（ZnO）纳米线、氮化镓（GaN）纳米结构。在纳米尺度上，压电效应更为显著，且材料具有优异的柔性和生物兼容性，为纳米发电机（Nanogenerators）奠定了基础。

优势与挑战：
压电发电机能将随机、低频的人体运动转化为电能，其输出电压较高，但在功率输出上仍有局限性。主要挑战包括：

输出功率受限： 单次形变产生的能量有限，需要通过阵列或能量管理电路进行累积。
频率匹配： 压电材料在特定共振频率下效率最高，而人体运动的频率是变化的。
耐用性与疲劳： 长期反复形变可能导致材料性能下降。

2.1.2 摩擦纳米发电机（TENGs）：摩擦生电的艺术

工作原理：
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）是近年来兴起的一种机械能采集技术，其核心原理是“接触起电”（Triboelectric Effect）与“静电感应”（Electrostatic Induction）的结合。当两种不同材料接触和分离时，由于材料间电子转移能力不同，会在材料表面产生净电荷（接触起电）。当带电表面相对运动时，会引起周围电极上电荷的重新分布（静电感应），从而在外电路中产生瞬时电流。

TENG的结构通常包含两层或多层不同材料，其表面具有微观结构以增大有效接触面积。常见的模式包括：

垂直接触分离模式： 两层材料垂直方向接触和分离。
平面滑动模式： 两层材料在平面上相对滑动。
单电极模式： 一层材料与人体或环境接触，另一电极接地。
独立层模式： 两层材料均不直接接触电极，而是通过静电感应在外部电极产生电流。

材料与应用：
TENG材料的选择非常广泛，几乎所有介电材料都可以用于TENG，包括：

聚合物： 如聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、尼龙、棉等。
织物： 通过在织物纤维中引入摩擦起电层，可制成自供电的智能服装。
离子凝胶/水凝胶： 具有柔性和生物兼容性，可用于生物传感器。

TENGs在可穿戴领域有巨大的潜力，例如：

自供电传感器： 集成到鞋垫、服装或手套中，用于步态分析、姿态监测。
智能交互界面： 通过触摸或滑动TENG表面来控制电子设备。
柔性电源： 为低功耗可穿戴设备、柔性显示屏、可穿戴医疗设备供电。

优势与挑战：
TENGs的优势在于：

材料选择广泛、成本低廉： 可以利用常见的聚合物甚至废弃物。
输出电压高： 易于达到数千伏特，但电流通常较低。
对低频运动响应良好： 非常适合人体不规则的低频运动。
柔韧性和可伸缩性： 易于集成到纺织品和柔性基底上。

然而，TENGs也面临挑战：

输出电流密度低： 限制了其直接为高功耗设备供电的能力。
输出阻抗高： 需要高效的阻抗匹配和能量管理电路。
环境敏感性： 湿度、灰尘等可能影响其性能和稳定性。
长期稳定性： 摩擦磨损可能导致材料性能下降。

2.1.3 电磁感应：线圈与磁体的舞动

工作原理：
电磁感应是基于法拉第电磁感应定律：当闭合电路中的磁通量发生变化时，电路中会产生感应电动势（电压）。在可穿戴领域，这通常通过永磁体和线圈的相对运动来实现。例如，当手臂挥动时，连接在手臂上的磁体在线圈中移动，或线圈在磁场中移动，从而产生感应电流。

感应电动势 $E$ 的大小与磁通量 $\Phi_B$ 的变化率成正比：

$E = -\frac{d\Phi_B}{dt}$

其中， $\Phi_B = \int_S \mathbf{B} \cdot d\mathbf{A}$ 是通过曲面 $S$ 的磁通量， $\mathbf{B}$ 是磁场， $d\mathbf{A}$ 是面积元向量。

应用：

自动上链手表： 利用手臂摆动带动内部的摆陀旋转，通过电磁感应为手表供电。
振动发电机： 集成在鞋底或背包肩带中，利用行走或运动产生的振动来驱动磁体在线圈中运动。

优势与挑战：
电磁发电机输出功率相对较高，但其尺寸和重量通常较大，且效率在高频振动下更优，对低频、随机的人体运动适应性不如压电和摩擦发电机。微型化和柔性化是其在可穿戴领域面临的主要挑战。

2.2 热能采集：体温的秘密

人体是一个恒温的生物体，持续向周围环境散发热量。利用这种体温与环境之间的温差，可以通过热电效应将热能转化为电能。

2.2.1 热电效应：温差生电的奇迹

工作原理：
热电效应主要包括塞贝克效应（Seebeck Effect）。当两种不同导体或半导体材料的两端存在温差时，载流子（电子或空穴）会从热端向冷端扩散，从而在两端之间产生电位差（塞贝克电压）。将多个热电偶串联起来形成热电模块（Thermoelectric Generator, TEG），可以提高总电压输出。

塞贝克电压 $V$ 与温差 $\Delta T$ 的关系为：

$V = S \cdot \Delta T$

其中， $S$ 是材料的塞贝克系数（Seebeck Coefficient），其大小取决于材料的种类和温度。
TEG的发电功率 $P$ 约为：

$P = \frac{(S \cdot \Delta T)^2}{R_{load} + R_{internal}}$

其中 $R_{load}$ 是负载电阻， $R_{internal}$ 是TEG的内阻。

材料与应用：
理想的热电材料应具备高塞贝克系数、高电导率和低热导率（以保持温差）。

传统热电材料： 如碲化铋（Bi $_2$ Te $_3$ ）及其合金、硅锗（SiGe）。这些材料效率较高，但通常较硬，不适合柔性可穿戴。
柔性热电材料： 近年来，柔性有机聚合物（如PEDOT:PSS）和纳米结构材料（如碳纳米管、MXenes）的研究取得了进展，它们能够与织物或皮肤直接接触，提高舒适度。

应用场景：

智能手表/手环： 利用手腕皮肤与环境的温差供电。
智能服装： 将柔性TEG集成到衬衫或夹克中，利用身体与空气的温差。
植入式医疗设备： 利用体内外温差为心脏起搏器等供电。

优势与挑战：
热电能量采集的优势在于其持续性和静音性，只要存在温差就能发电。但其主要挑战是：

转换效率低： 通常只有几个百分点，输出功率通常在微瓦到毫瓦级别。
温差要求： 实际应用中，人体与环境的温差通常不大（几摄氏度），限制了功率输出。
热管理： 如何有效地在TEG两端维持足够大的温差是关键。

2.3 光能采集：阳光下的充电

光能采集，特别是太阳能，是最成熟、应用最广泛的能量采集技术之一。通过光伏效应（Photovoltaic Effect），光能可以直接转化为电能。

2.3.1 光伏效应：太阳的馈赠

工作原理：
光伏效应是指光子与半导体材料相互作用时，将能量传递给半导体中的电子，使电子从价带跃迁到导带，形成自由电子和空穴对。在半导体结（如PN结）的内建电场作用下，电子和空穴被分离，形成电流。

太阳能电池的输出功率 $P_{out}$ 通常与光照强度 $I$ 、电池面积 $A$ 和转换效率 $\eta$ 相关：

$P_{out} = \eta \cdot I \cdot A$

材料与应用：

晶体硅太阳能电池： 效率高，但通常较硬、脆，且不透明。
柔性薄膜太阳能电池： 如非晶硅（a-Si）、铜铟镓硒（CIGS）、有机光伏（OPV）电池和钙钛矿（Perovskite）太阳能电池。这些材料可以制成柔性、透明或半透明的薄膜，易于集成到可穿戴设备和智能纺织品中。
染料敏化太阳能电池（DSSC）： 可制成半透明或彩色，适合窗户或装饰性应用。

可穿戴应用：

智能手表/手环： 许多智能手表表面集成了小型太阳能板，以延长续航。
智能服装： 柔性太阳能电池可以集成到夹克、背包或帽子中，为便携设备充电。
传感器网络： 部署在户外环境中的传感器可以利用太阳能自供电。

优势与挑战：
太阳能的优势在于其高能量密度（尤其是在晴朗的户外）和技术的成熟度。然而，它也有明显的局限性：

间歇性： 夜晚、阴天或室内光照不足时无法发电。
效率限制： 尽管实验室效率很高，但实际可穿戴应用中受限于尺寸、弯曲和非理想光照条件。
美观与集成： 如何在不影响美观和舒适度的前提下，将太阳能电池板无缝集成到可穿戴设备中是一个挑战。

2.4 无线射频（RF）能采集：空气中的电流

我们周围充满了各种无线电波：广播电视信号、Wi-Fi信号、移动通信信号等等。尽管这些信号的能量密度非常低，但对于超低功耗设备来说，仍有可能通过RF能量采集技术将其转化为电能。

工作原理：
RF能量采集系统通常包括天线、阻抗匹配电路、整流器和能量管理单元。天线接收环境中的RF信号，然后通过整流器将高频交流电转换为直流电，最后存储起来。

接收到的RF功率 $P_R$ 与发射功率 $P_T$ 、天线增益 $G_T, G_R$ 、波长 $\lambda$ 和距离 $R$ 的关系由Friis传输方程给出：

$P_R = P_T G_T G_R \left( \frac{\lambda}{4\pi R} \right)^2$

从这个公式可以看出，RF能量随着距离的增加迅速衰减（平方反比），这意味着远离发射源的RF能量密度极低。

应用：

低功耗传感器： 为RFID标签、无线传感器网络节点等提供微瓦级别的电力。
医疗植入物： 在体内接收外部发射的RF能量为植入式设备供电。
智能家居设备： 为遥控器、门禁传感器等提供补充电力。

优势与挑战：
RF能量采集的独特之处在于其**“无接触”和“随处可得”**的特性。它可以为那些难以触及或需要持续监控的设备提供能量。然而，其主要挑战是：

功率密度极低： 大多数环境RF信号的功率密度都在纳瓦每平方厘米级别，远低于为消费电子产品供电所需。
转换效率低： 整流和匹配电路在极低功率输入下的效率不高。
距离限制： 接收到的能量随距离急剧衰减。

2.5 生物化学能采集：汗液与血糖的能量

人体不仅有热量和运动，还有各种生物化学反应，它们也能作为能量来源。生物燃料电池和酶燃料电池是利用人体代谢产物（如葡萄糖、乳酸、汗液中的离子）产生电能的技术。

工作原理：
生物燃料电池通过酶或微生物催化氧化还原反应来产生电能。例如，利用汗液中的乳酸作为燃料，通过乳酸氧化酶在阳极发生氧化反应，同时氧气在阴极还原，从而产生电流。

应用：

自供电医疗传感器： 集成到皮肤贴片中，监测血糖、乳酸、电解质等生理指标，并为传感器自身供电。
药物输送系统： 为微泵或智能胶囊提供动力。

优势与挑战：
生物化学能采集的优势在于其生物兼容性和对人体内部能量的直接利用。然而，挑战包括：

功率密度低： 通常只有微瓦级别，难以满足大多数可穿戴设备的需求。
酶的稳定性： 酶在体外环境中的活性和寿命有限。
生物污染： 长期佩戴可能面临生物膜形成或感染风险。

第三章：能量的交响乐：集成与系统设计

单一的能量采集技术往往难以满足可穿戴设备对持续供电的需求。因此，将多种采集技术组合起来，并配合高效的能量管理单元和储能设备，是实现可穿戴设备长效续航的关键。

3.1 混合式能量采集系统

混合式系统（Hybrid Energy Harvesting）结合了两种或多种能量采集器，以克服单一来源的局限性。例如，在室内使用太阳能效果不佳时，可以辅以压电或热电能量采集；在运动不足时，可以通过太阳能或RF能量补充。

优势：

提高供电可靠性： 当一种能量来源不足时，其他来源可以弥补。
提高平均功率输出： 综合利用多种环境能量，提高总发电量。
适应复杂环境： 能够在不同光照、温度和运动状态下维持供电。

设计考量：

能量转换效率： 不同能量采集器需要针对性优化。
物理集成： 如何将不同类型的采集器无缝集成到设备或纺织品中。
能量管理复杂性： 需要更复杂的PMU来协调多种输入。

3.2 能量管理单元（PMU）

能量管理单元（Power Management Unit, PMU）是能量采集系统的大脑，其功能至关重要：

整流与转换： 将采集器产生的交流电（如压电、TENG）或变化的直流电（如太阳能）转换为稳定的直流电。这通常涉及低压差稳压器（LDO）或开关电源（Buck/Boost Converter）。
最大功率点跟踪（MPPT）： 对于太阳能或某些机械能采集器，其输出特性随环境变化。MPPT算法能确保采集器始终工作在最高效率点，从输入端获取最大功率。
能量存储： 将采集到的电能存储起来，以应对能量间歇性供应和设备瞬间高功耗的需求。
负载供电： 根据负载需求，从采集器或储能单元中提供稳定电压和电流。
系统监控与保护： 监测电池电量、过充过放保护，以及系统状态。

示例：一个概念性的PMU工作流程

# 伪代码：概念性的PMU工作流程

class EnergyHarvesterPMU:
    def __init__(self, harvester_type, storage_capacity_mAh):
        self.harvester_type = harvester_type  # 例如: 'solar', 'piezo', 'thermo'
        self.storage_capacity = storage_capacity_mAh
        self.current_charge_mAh = 0.0
        self.device_power_mW = 5  # 假设设备功耗为5mW
        self.storage_voltage = 3.7 # 假设储能电池电压

    def get_harvester_output(self, env_param):
        """模拟能量采集器的输出功率 (mW)"""
        if self.harvester_type == 'solar':
            # 假设光照强度影响功率，env_param为光照强度 (lux)
            return min(0.1 * env_param / 100, 50)  # 简单模型，最大50mW
        elif self.harvester_type == 'piezo':
            # 假设运动强度影响功率，env_param为运动频率 (Hz) 或 G值
            return min(0.05 * env_param, 10)  # 简单模型，最大10mW
        elif self.harvester_type == 'thermo':
            # 假设温差影响功率，env_param为温差 (Celsius)
            return min(0.02 * env_param, 5)  # 简单模型，最大5mW
        else:
            return 0

    def convert_and_store(self, raw_power_mW, time_interval_s):
        """将采集到的能量转换为电量并存储"""
        # 假设转换效率为80%
        converted_energy_mJ = raw_power_mW * time_interval_s * 0.8
        
        # 将毫焦耳转换为毫安时 (mJ -> mAh)
        # 1 mAh = 3.6 J = 3600 mJ
        energy_mAh = converted_energy_mJ / (self.storage_voltage * 3.6)
        
        self.current_charge_mAh = min(self.current_charge_mAh + energy_mAh, self.storage_capacity)
        print(f"采集到 {energy_mAh:.4f} mAh，当前电量：{self.current_charge_mAh:.2f} mAh")

    def power_device(self, time_interval_s):
        """为设备供电"""
        required_energy_mAh = (self.device_power_mW * time_interval_s / 3600) / self.storage_voltage
        if self.current_charge_mAh >= required_energy_mAh:
            self.current_charge_mAh -= required_energy_mAh
            print(f"设备运行消耗 {required_energy_mAh:.4f} mAh，剩余电量：{self.current_charge_mAh:.2f} mAh")
            return True
        else:
            print(f"电量不足，设备无法运行。所需 {required_energy_mAh:.4f} mAh，仅剩 {self.current_charge_mAh:.2f} mAh")
            return False

    def run_simulation(self, total_time_s, env_data_stream):
        """模拟PMU在一个时间段内的运行"""
        print(f"--- 模拟开始 --- (总时长: {total_time_s}s)")
        time_step_s = 60 # 每分钟更新一次
        for t in range(0, total_time_s, time_step_s):
            env_param = env_data_stream.get(t, 0) # 获取当前时间的环境参数
            harvester_power = self.get_harvester_output(env_param)
            self.convert_and_store(harvester_power, time_step_s)
            self.power_device(time_step_s)
            if self.current_charge_mAh <= 0:
                print("电量耗尽，模拟结束。")
                break
        print(f"--- 模拟结束 --- 最终电量：{self.current_charge_mAh:.2f} mAh")

# 示例用法
# 假设一个简单的环境数据流：前30分钟光照强，后30分钟光照弱
env_data = {t: 500 for t in range(0, 1800)}  # 前30分钟高光照
env_data.update({t: 50 for t in range(1800, 3600)}) # 后30分钟低光照

solar_pmu = EnergyHarvesterPMU('solar', 100) # 100 mAh 容量的电池
solar_pmu.run_simulation(3600, env_data) # 模拟1小时

3.3 能量存储技术

由于能量采集器的输出功率通常较低且不稳定，能量存储设备是必不可少的缓冲器。

超级电容器（Supercapacitors）：
- 优势： 充放电速度快、循环寿命极长（数十万次）、功率密度高。
- 劣势： 能量密度相对较低（储能容量不如电池）、自放电率较高。
- 应用： 适合应对短时高功率需求或作为电池的缓冲器。
薄膜电池/固态电池（Thin-Film Batteries/Solid-State Batteries）：
- 优势： 轻薄、柔性、能量密度较高、安全性好（无液态电解质）。
- 劣势： 循环寿命和功率密度可能不如传统锂离子电池，成本较高。
- 应用： 理想的可穿戴设备集成电源，可以弯曲、卷曲，甚至印刷到柔性基底上。

3.4 智能纺织品与可穿戴集成

将能量采集器无缝集成到日常衣物和配饰中是可穿戴能量采集的最终目标。这涉及到：

柔性材料： 使用柔性基底（如聚合物薄膜、纤维）制造能量采集器和电路。
纺织集成： 将能量采集纤维直接编织到布料中，或者将柔性采集模组缝合、印刷到衣物表面。
封装与保护： 确保能量采集器在洗涤、弯曲和日常磨损中保持性能稳定和安全。

第四章：前方的挑战：可穿戴能源采集的瓶颈

尽管可穿戴能量采集技术前景光明，但实现大规模商业化应用仍面临诸多挑战：

4.1 功率输出与转换效率

这是最核心的挑战。大多数环境能量源的功率密度极低（如RF能量），或转换效率不高（如热电、压电），导致可穿戴能量采集器的实际输出功率通常在微瓦到毫瓦级别。这足以驱动超低功耗传感器，但远不足以满足智能手机、智能手表等高功耗设备的持续需求。如何将低功率输入有效地转化为可用电能，是科学家们持续攻关的方向。

4.2 间歇性与稳定性

环境能量源往往是间歇性的。太阳能需要光照，机械能需要运动，热能需要温差。这意味着采集到的能量并非持续稳定，需要高效的储能系统来平滑供电曲线。同时，采集器本身的长期稳定性、抗老化能力、在复杂环境（湿度、温度变化、机械应力）下的可靠性也是重要考量。

4.3 舒适性、耐用性与美观性

作为可穿戴设备，它们必须满足人体工程学要求：

舒适性： 必须轻便、柔软、透气，不能引起皮肤刺激或不适。
耐用性： 需要承受日常的拉伸、弯曲、摩擦、汗水甚至洗涤，保持功能完好。
美观性： 不能过于笨重或显眼，应能无缝融入日常穿着和生活方式。

这些要求对材料选择、结构设计和封装工艺提出了极高的要求。

4.4 成本与可制造性

许多前沿材料和制造工艺仍处于实验室阶段，成本高昂，难以实现大规模量产。如何降低制造成本，提高生产效率，使可穿戴能量采集设备能够被普通消费者接受，是走向商业化的关键一步。

4.5 能量管理与系统集成复杂性

正如前文所述，有效的能量管理是必不可少的。多源能量输入的协调、MPPT算法的优化、储能设备的管理、以及与设备本身的电源需求的匹配，都增加了系统设计的复杂性和功耗。如何设计出既高效又低功耗的PMU，是系统工程师面临的挑战。

第五章：探索无限：可穿戴能源采集的未来展望

尽管面临挑战，可穿戴能源采集领域仍展现出巨大的潜力和无限可能。随着材料科学、纳米技术、人工智能等领域的不断突破，我们有理由相信，未来的可穿戴设备将真正实现能量自由。

5.1 新材料与新结构的突破

柔性/可拉伸材料： 正在开发具有优异柔性、可拉伸性和高能量转换效率的压电、摩擦、热电和光伏材料，如可拉伸钙钛矿太阳能电池、导电水凝胶基TENGs、液态金属电极等。
多功能一体化材料： 探索同时具备多种能量采集能力，或者同时具备传感、储能和发电功能的多功能材料。
生物兼容性材料： 对于医疗可穿戴和植入式设备，开发无毒、无刺激、可长期与人体接触的生物兼容性材料至关重要。