科学网—中国科学院北京纳米能源所董凯研究员、郑州大学宁川副研究员综述文章：摩擦电纤维编织虚拟现实与增强现实的未来
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2026-9-29 12:49
| 系统分类: 科研笔记
研究背景:
虚拟现实（VR）与增强现实（AR）是一种全新的人机交互技术，能够将虚拟环境与现实世界连接起来，极大地丰富人类的感官体验。其中，VR 为使用者构建完全沉浸的虚拟世界，AR 则将虚拟信息叠加于真实场景之上以增强现实体验，二者已在娱乐、训练、医疗、工业等诸多日常领域展现出广阔前景。然而，VR/AR 系统的核心是人，要实现沉浸式交互，就必须实时采集人体的动作、姿态与生理信息。
目前常见的可穿戴传感设备多为硬质器件——硬电池、刚性电路板等，在佩戴时会造成明显不适，干扰人体正常活动。衣物与纤维是人体必不可少的“第二层皮肤”，具有轻质、舒适、可共形贴附的优点，且不会干扰人的正常活动。将传感功能“织”进纤维，正是破解上述痛点的关键路径。
近年来，摩擦纳米发电机纤维（摩擦电纤维）作为一类自供电传感器异军突起。它兼具优异的柔性、透气性、舒适性与“自供能”特性，无需外接电源即可将机械信号转化为电信号，正逐步在 VR/AR 领域显现独特优势。基于此，本文系统综述了摩擦电纤维的最新研究进展，重点梳理其结构特征、制备与大规模集成方法以及其在 VR/AR 中的应用方向，并指出该领域面临的挑战与未来研究方向。
亮点 Highlights:
文章系统综述了摩擦电纤维在 VR/AR 人机交互中的研究进展。首先，对比了压阻式、电容式、压电式与摩擦电式四类压力传感器的原理与特性，凸显摩擦电纤维“自供能、高灵敏、响应快”的优势；其次，归纳了摩擦电纤维的单电极/双电极结构，并总结了湿法纺丝、熔融挤出、3D 打印、热拉伸、浸涂等多种大规模制备方法；随后，从织造、缝合与三维织物等角度分析了纤维的大规模集成路径，并围绕“表面微结构”与“介电材料掺杂”两条主线阐述了电学输出增强策略。文章进一步重点介绍了摩擦电纤维在 VR/AR 中的四类典型应用——可穿戴虚拟按键、运动与生理信息可视化、手势识别、虚拟角色控制，并凝练出“3 个提升 + 3 个降低”的未来挑战与展望。本文为摩擦电纤维从实验室走向舒适、可靠的 VR/AR 可穿戴交互提供了系统的技术参考。
文章解读
文章从 VR/AR 的人机交互本质出发，指出“人”是系统的核心，而传统硬质可穿戴传感器会带来不适感和干扰。为此，文章首先对比了压阻、电容、压电与摩擦电四类压力传感器的工作原理（图 1），指出摩擦电纳米发电机材料选择广、灵敏度高、无需外部供电，尤其擅长采集低频、不规则的机械能甚至感知心跳、呼吸、脉搏等微弱生理振动，摩擦电纤维可为 VR/AR 提供舒适、自供能的传感方案。
图 1. 不同类型压力传感器的工作原理（压阻、电容、压电、摩擦电）
在器件层面，文章系统归纳了单电极与双电极摩擦电纤维的结构特征——单电极模式结构简单、易于规模化生产，双电极模式输出更高、可响应拉伸，甚至可在水下工作。总结了湿法纺丝、静电纺丝、熔融挤出、3D 打印、热拉伸、浸涂等七种大规模制备方法，并对比其效率、成本与适用场景（图 2），为摩擦电纤维从实验室走向产业化提供工艺路线。
图 2. 摩擦电纤维的大规模制备方法（湿法纺丝、静电纺丝、熔融挤出、3D 打印、编织、热拉伸、浸涂）。
纤维要真正织入衣物，其集成方式不能简单照搬传统纺织。文章比较了平纹织造（结构简便、无弹性）与针织（高弹性、高柔性）的差异，并介绍了将摩擦电纤维用缝纫机缝合于传统织物（可定制图案）的方案、以及采用三维织物（X/Y/Z 三向交织）来增大摩擦层运动空间、提升电学输出的策略——例如一种 三维正交织物在 3 Hz 下峰值功率密度达 263.36 mW m⁻²，数倍于传统二维织物（图 3）。
图 3. 摩擦电纤维的集成方式。
文章的核心落在摩擦电纤维在 VR/AR 中的应用，归纳为四大方向：一是可穿戴虚拟按键，将纤维织入衣物即可作为触觉界面、可折叠柔性键盘与音乐控制器；二是运动与生理信息可视化，将传感器集成于袖口、袜底可在虚拟空间复现高尔夫挥杆与击球动作，贴附于足球表面的纤维网络可基于球坐标实时点亮撞击点，编织入衣物的纤维还能捕捉呼吸与脉搏波形并用于自供能睡眠监测；三是手势识别，自供电智能手套可实时识别手指弯曲以控制 VR 射击游戏，手语转语音系统的识别率高达 98.63%、识别时间小于 1 秒，微曲敏感纤维还能监测前臂肌肉活动以用于康复训练；四是虚拟角色控制（图4），摩擦电纤维腕带可无线操控“吃豆人”游戏，智能袜结合深度学习以 93.54% 准确率识别步态并作为 VR 健身游戏控制接口，自供能跳舞毯与地毯则可灵敏控制虚拟角色的移动与赛车方向。
图 4. 摩擦电纤维在 VR/AR 中的应用：虚拟角色控制。
最后，文章凝练出面向 VR/AR 的“3 个提升 + 3 个降低”挑战：提升佩戴舒适性（轻量化、细径化）、提升电学输出（表面微结构、介电掺杂）、拓展应用范围；降低串扰、降低环境（温湿度）干扰、降低成本。文章指出，只有跨越这些门槛，摩擦电纤维才能真正从实验演示走向日常产业化。
读后感:
在摩擦电纤维快速发展的推动下，将传感与供能“织”入纤维，正为 VR/AR 带来前所未有的舒适交互范式。相比刚性传感器，摩擦电纤维以自供能、轻质、透气、可共形贴附的特点，天然契合“人”这一核心节点的信息入口需求；从虚拟按键到手势识别、从生理监测到虚拟角色控制，其应用图景已初具规模。与此同时，摩擦电纤维仍面临佩戴舒适度不及普通纤维、输出受温湿度与环境干扰、纤维间串扰，以及贵金属/液态金属带来的成本等现实瓶颈。未来需在材料轻量化与细径化、表面微结构与介电掺杂增效、以及低成本的规模化制备与系统集成上持续突破，并借助机器学习提升信号解析与抗干扰能力，推动其从实验室走向可靠、舒适、实用的可穿戴 VR/AR 交互界面。
作者简介:
宁川，郑州大学材料科学与工程学院副研究员。2022年毕业于中国科学院北京纳米能源与系统研究所，获得博士学位，同年加入郑州大学。在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Research 等期刊发表SCI论文20余篇，累计被引用2100余次，H因子18。主持国家自然、河南省自然、博士后特别资助等4项课题。
董凯，中国科学院北京纳米能源与系统研究所青年研究员、博士生导师，智能纺织实验室负责人。2018年毕业于东华大学获博士学位，同年留校任教，2019年调入现所，2023年晋升青年研究员。聚焦摩擦电新型机电转化纤维材料，在自主供电与自驱动传感智能纤维织物领域取得系列创新成果。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.在期刊上发表论文70余篇（第一/通讯50余篇），他引超5000次，H指数35；获授权专利8项。主持国自然、北自科等7项课题，入选北京市海外高层次青年人才。兼任《纺织学报》、Soft Science、Nano Research Energy青年编委及多本顶刊审稿专家，并担任教育部学科评估与学位论文评审专家。
基金支持:
本项研究得到了国家自然科学基金（No. 62504209）、河南省自然科学基金（No. 252300423453）、中国科学院长春科技创新联合专项（No. 24SH06）、北京市自然科学基金（No. L222037）、武汉纺织大学新型纺织材料及先进加工技术国家重点实验室开放课（No. FZ2023006）、浙江省科技计划项目（No. 2025ZY01057）以及中国博士后科学基金（No. 2023TQ0316）的支持。
【文献链接】
C. Ning, L. Feng, W. Fan, X. Zhang, L. Li, K. Dong. Weaving the future of virtual reality/augmented reality with triboelectric fibers for self-powered sensing. Wearable Electronics 3, 196–212 (2026).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950235726000107
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。
主编和编委团队：
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
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