中科院纳米能源所王中林院士/孙其君等综述：纳米发电机技术助力智慧体育迈向能量自主和数字智能

研究背景

体育领域已全面迈入数字化时代，技术革新正在深刻改变运动员的训练模式和竞技表现。大数据技术的应用，包括运动表现分析、健康监测、训练统计和战术优化，已成为提升竞技水平的关键手段。然而，传统可穿戴电子设备在运动监测中仍面临诸多挑战，如高昂的成本、较高的能耗、有限的柔性适配能力，以及数据分析方法的不足。摩擦电纳米发电机(TENG)凭借其优异的柔韧性、生物相容性和自供电特性，为突破这些限制提供了新的解决方案。作为新一代能源技术，TENG能够高效收集环境中的机械能，实现无源传感，同时具备轻量化、低频高效、材料选择广泛等优势，被誉为“物联网时代的理想能源”。本文聚焦于TENG在智能运动装备中的应用，系统总结了其在生理数据监测、运动训练优化、赛事裁判辅助以及运动损伤防护与康复等领域的最新研究进展。通过排除运动心理因素的干扰，研究重点探讨了TENG在体育科学中的实际应用潜力。此外，本文还对当前自驱动运动监测设备在制造和应用中的关键问题进行了深入分析，并展望了未来发展方向，旨在推动体育运动向更绿色、更智能的方向发展，为相关研究提供新的思路和技术参考。

TENG‑Boosted Smart Sports with Energy Autonomy and Digital Intelligence

Yunlu Wang, ZihaoGao, Wei Wu, Yao Xiong, Jianjun Luo, Qijun Sun*, YupengMao*, Zhong Lin Wang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 265

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01778-1

本文亮点

1. 本研究全面综述了摩擦电纳米发电机(TENG)在智能体育领域的最新研究进展，系统梳理了其关键技术突破与应用场景。

2. 本研究深入探讨了TENG技术与人工智能/机器学习技术的融合创新，揭示了其在提升智能运动系统性能方面的巨大潜力与实现路径。

3. 本研究详细分析了基于TENG的智能运动技术面临的机遇与挑战，为未来研究方向提供了战略性指导与展望。

内容简介

随着体育科学进入数字化时代，摩擦电纳米发电机(TENG)因其自供电、高灵敏度和环境友好性，成为智能运动设备领域的研究热点。这项创新技术通过将机械能转化为电能，不仅解决了传统可穿戴设备依赖外部电源的痛点，更为运动监测开辟了全新的技术路径。中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林/孙其君、东北大学体育部毛羽鹏等人系统性地梳理了TENG技术在体育科学领域的突破性应用，从运动员生理机能监测到运动表现优化，从赛事裁判辅助到运动损伤防护，全方位展示了这项技术如何推动体育科学向智能化、精准化方向迈进。特别值得关注的是，TENG与人工智能技术的协同创新，正在构建一个集数据采集、分析和应用于一体的智能运动监测新范式，为竞技体育和大众健康带来革命性变革。

在具体应用层面，TENG技术展现出令人瞩目的创新价值。通过精心设计的柔性传感器，TENG系统能够实时捕捉运动员的心率、呼吸频率等关键生理指标，其灵敏度甚至可达到检测细微关节活动的程度。在训练优化方面，集成于运动装备的TENG传感器可精准记录击打力度、动作频率等数据，为技术改进提供量化依据。更引人注目的是，基于TENG的智能裁判系统通过高精度传感网络，正在改变传统赛事判罚方式，大幅提升比赛的公平性。而将AI算法与TENG数据相结合，则使运动分析从简单的数据采集跃升为具有预测能力的智能系统，如通过深度学习模型识别异常动作模式，预防运动损伤发生。这些创新应用不仅验证了TENG技术的实用性，更预示着智能运动设备的未来发展方向。

尽管TENG技术前景广阔，其进一步发展仍面临诸多挑战。当前研究需要重点突破能量转换效率提升、环境适应性增强以及规模化生产工艺优化等关键技术瓶颈。特别是在材料科学领域，开发兼具高灵敏度和生物相容性的新型功能材料，将成为推动TENG实用化的关键。同时，如何实现TENG系统与现有运动装备的无缝集成，提升用户体验，也是亟待解决的问题。未来，随着跨学科合作的深入，TENG技术有望在竞技体育表现提升、运动医学康复以及大众健康监测等领域发挥更大作用，最终实现从实验室创新到产业化应用的成功跨越，为体育科学发展注入新的活力。

图文导读

I 研究背景

许多基于TENG的自供设备已经被开发用于不同的场景，如能源采集、健康监测、环境监测、生物力学监测和智能运输等。与其他可穿戴设备相比，TENG作为传感器监测人体运动具有巨大优势，它们的轻量性减少了在运动过程中对人体的任何障碍。并且它们具有较高的机械强度，能够抵抗多平面变形，允许设备具有更长的使用寿命。同时TENG也可以在极端环境下完成运动信号监测，并做到实时分析，促进体育运动朝着绿色化、智能化发展。数据采集和分析是智能运动的核心方法，TENG不仅为各种设备提供连续的能量，而且在与特定的生化或生理反应耦合时，还能实时反映机体的健康状况。随着穿戴式电子传感器在体育科学中的应用越来越广泛，它可以为运动员提供生理洞察信息，使其保持良好的竞技状态。然而评估运动员竞技状态的标准是多方面的，需要综合考虑生理、心理、技术和竞赛成绩等多个方面。本文排除运动心理因素干扰，全面总结了基于TENG的智能装备在体育领域中的生理数据监测，运动训练表现，赛事裁判辅助以及运动防伤康复等方面的制造过程及应用趋势(如图1所示)。

图1. 基于TENG的智能运动装备在体育领域中的生理数据监测，运动训练表现，赛事裁判辅助及运动防伤康复等方面的制造及应用。

II 自驱动运动监测的智能运动装备制造与应用

从TENG、可穿戴设备和体育运动关键词的共现网络图(图2)中可以清楚地看出，除了能量收集实现智能设备的自驱动，基于TENG的可穿戴设备用于监测人体健康及人体运动追踪是人们关注的重点。然而，人体运动受多种复杂因素的影响，包括运动员的个体生理特征、场地条件、外部环境因素以及心理因素等。其中，心理因素受个人内部因素(如动机、焦虑水平、自信心和注意力集中度)以及外部环境和社会互动等因素的共同作用，从而对人体运动表现产生显著影响。尽管如此，TENG技术通过实时监测关节运动电势等可量化指标动态反映人体运动状态，而不依赖于心里指标，具有较高的可靠性和可重复性。此外，人体运动监测对实时响应能力有较高的要求(如赛事裁判辅助中的应用)，而心理评估方法(如量表评估或神经影像技术)通常存在一定的滞后性，难以满足实时监测的需求。同时，当前智能体育领域的研究属于工程化探索阶段，应优先构建生物力学基准模型，为后续整合包括心理因素在内的多维度的人体运动影响因素奠定理论基础。因此，本文将从智能体育视角出发，对自驱动的智能运动装备制造及其在生理数据监测、训练辅助、赛事裁判和运动防伤康复等方面应用进行研究。

图2. TENG相关出版物的关键词共现网络图。

2.1 生理数据监测

生理指标是评估运动员竞技状态的基础，包括心率、血压、血乳酸、血红蛋白等生化指标，以及肌肉力量、耐力、柔韧性等身体素质指标。例如，一名长跑运动员在训练期间的心率和血压应保持在一定范围内，以确保其身体能够承受训练负荷。同时，他们的血红蛋白水平也应保持稳定，以确保氧气能够有效地输送到肌肉中。对运动信息的有效采集、识别、分析是智能运动的关键，可以帮助运动员提高技术水平，制定科学的训练计划和比赛策略。基于TENG的生理监测传感器由于其在下一代运动/临床技术的日常活动、运动表现和健康状态监测中的广泛应用潜力而吸引了越来越多的研究兴趣。

图3. TENG设备在生理数据监测中的应用。

2.2 运动训练辅助

技术表现是评估运动员竞技状态最直观的方面，包括运动员在比赛中的技术动作是否准确、流畅、协调，以及是否能够根据比赛情况做出及时调整。例如，一名体操运动员在比赛中需要完成一系列高难度的动作组合，而这些动作的完成质量将直接决定其最终得分。近年来，随着信息技术的进步，智能体育已成为体育监控的重要发展趋势。运动监测和对不同动作或技术的有效识别是智能体育的关键，可以量化运动员的运动行为和动作模式，进而帮助提高运动员的技能，制定科学的训练计划和比赛策略。TENG已成功地用于构建多功能传感器，具体地说，力、速度、加速度、方向和角度都可以测量，并且在智能运动领域显示出巨大的潜力。

图4. 基于TENG的运动训练辅助装备的应用。

2.3 体育赛事裁判

随着物联网(IoT)的快速发展，运动员的数字化信息在体育比赛中意义尤为重大，体育活动和赛事的辅助裁判变得更加智能。竞赛成绩是判定运动员竞技状态最客观的标准，包括运动员在比赛中的成绩排名、得分情况以及与对手的比较结果。例如，在田径比赛中，运动员的跑步时间、跳远距离等成绩数据将直接决定其比赛名次和竞技水平。虽然压力传感器、图像传感器等在体育赛事中得到了广泛的应用，但其耐用性和能量供应仍然是一个挑战。目前在体育赛事中使用的大多数传感器都是有源的，例如电容式、电阻式和压阻式，这些传感器在工作时需要外部电源。此外，最常用的鹰眼系统由高速摄像机组成，其具有高采购和维护成本，并受照明和模拟误差的影响。因此，基于TENG的智能裁判辅助系统为这些局限找到了解决办法并为体育赛事智能化裁决打开了新的发展思路。

图5. 基于TENG的裁判设备在体育赛事中的应用。

2.4 运动防伤康复

鉴于运动员的工作负荷、伤害和表现之间的关系，在高性能运动环境中对运动员身体状态进行监控变得至关重要。例如：肌肉的作用不仅仅是产生力量，也可以说它不仅仅是一种组织，而是一个器官。随着时间的推移，反复的运动会导致细胞方面的重塑和变化，如炎症、新陈代谢等。如果运动员希望最大限度地提高“适应度”并最大限度地减少“疲劳”，则需要适当的监测工具来衡量这些结果。可穿戴传感器可以通过帮助运动员和教练分析个人身体力学来帮助调整技术以避免受伤或减少努力，从而在体育防伤康复应用中具有很大的前景。基于TENG的智能运动监测装备因其自供电，便携等特性，已经被研究人员广泛关注并运用于运动康复防伤领域。

图6. 基于TENG的穿戴设备在运动防伤康复中的应用。

III 融合AI/ML技术进行智能运动的TENG数据分析

随着工业4.0和健康4.0概念的提出，体育4.0的潜力也逐渐显现，人工智能(AI)作为第四次工业革命的核心驱动力，运用场景越来越丰富，也预示着人工智能和大数据在未来体育领域中发挥更加重要的作用。国际奥林匹克委员会正式发布的《奥林匹克AI议程》(Olympic AI Agenda)，更是意味着体育与人工智能的进一步融合，人类正快步迈向“人工智能+体育”的新时代。机器学习作为人工智能的核心技术之一，是实现AI目标的重要工具。随着计算机视觉和深度学习技术的发展，人工智能可以自动追踪目标，通过可穿戴设备、传感器、拍摄设备等渠道收集大量运动员或赛事场馆数据并进行分析，实现数字体育与智能体育的转型。通过结合ML技术，TENG不仅可以提供实时数据反馈，还能为运动员提供个性化的训练建议，推动智能运动的发展。因此，TENG作为新型的能源自主传感设备更是将智慧体育推向了新的方向(如图7所示)。

图7. TENG与AI/ML技术融合推动智能运动。

IV 展望

本文从智能体育的角度对运动信号监测，运动训练，赛事裁判以及运动防伤康复四个方面对基于TENG的智能运动装备的应用及制造进行了总结和研究。首先，由于其独特的机电转换特性，在无需外部电源的情况下，TENG可以根据外部刺激输出不同的电信号。它可以作为一个自供电的传感器，实时监测呼吸，脉搏，心率，身体运动和其他生理信息。其次，TENG擅长于采集低频机械能，在构建智能运动传感网络方面具有独特优势。通过与其他传感器或芯片集成，可以形成混合系统，实现更多功能。最后，由于其高电压和低电流的输出特性，TENG对人体具有高生物安全性。通过合理选择材料和实施适当的结构设计，可以保证运动员的舒适度和皮肤亲和力。通过商用可穿戴设备与基于TENG的智能装备之间的比较可知，虽然基于TENG的智能运动器材在推进智能运动方面取得了长足的进步，但仍存在一些挑战。基于TENG的智能运动监测装备在材料创新、制造工艺、皮肤亲和力和舒适性、适应性与稳定性、传感能力、精确度和可靠性、可集成性和商业化需求等方面仍然需要完善(图8)，以提高其在未来研究中的适用性。

图8. 展望。

V 总结

文章全面探讨了摩擦电纳米发电机(TENG)技术在智能体育领域的创新应用与发展前景。文章从四个维度展开论述，聚焦TENG技术在运动生理监测、训练优化、智能裁判和运动康复等关键场景的实际应用，通过详实的案例展示了该技术如何实现运动数据的精准采集与智能分析。此外，研究特别强调了TENG技术与人工智能的深度融合，展示了机器学习算法如何赋能运动数据分析，实现从简单监测到智能预测的跨越。

文章不仅总结了当前的技术成果，还深入剖析了TENG在能量转换效率、环境适应性等方面的技术瓶颈，并提出了未来研发方向，为智能体育领域的发展提供了关键性的技术指引和创新思路。通过系统梳理TENG技术在运动监测领域的应用现状，确立了自供电传感技术在体育科学中的基础性应用框架，同时前瞻性地指出了材料创新、系统集成等未来研发方向。这些研究成果不仅为体育监测技术向更高精度、更强智能和更好可持续性的转型提供了理论支撑，更为竞技体育水平提升和大众健康促进开辟了新的技术路径。同时，文章所构建的技术范式将显著推动运动监测的智能化进程，其提出的创新解决方案涵盖了运动表现优化、损伤预防和个性化训练等多个关键领域，标志着体育科学正在经历从经验驱动到数据驱动的范式转变，对智能体育的可持续发展具有重要的指导价值。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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