天津大学张平副教授Nano Energy:基于中国传统榫卯结构，实现超高性能摩擦纳米发电机

【引言】

随着科学技术的进步和发展，人类社会正迅速进入物联网和人工智能时代，许多新的智能可穿戴设备应运而生。智能可穿戴设备在运动传感、人体健康监测、实时环境变化监测等方面发挥着至关重要的作用。对于这些智能可穿戴设备来说，稳定和连续的能源供应是实现其正常工作的重要条件。目前，智能可穿戴设备中的运动传感器主要由传统的电源供电，但这些能源供应方法存在使用寿命短、循环稳定性差、环境污染等缺点。近年来，基于摩擦起电效应和静电感应耦合的摩擦纳米发电机（Triboelectricnanogenerator，TENG），因其具有体积小，同时能够将环境中无法获得的能源转化为可用的电能来产生具有巨大应用潜力的可再生能源而备受关注。然而，对于传统的栅格结构在空间利用率和稳定性方面有改进的余地。为了进一步提高输出性能，必须设计一种结构稳定、空间利用率高的新结构。同时，榫卯结构是中国古代建筑、家具和其他设备的主要结构方法，是一种通过结合凹凸部分连接两个部件的巧妙方法，这种结构可以承受较大的载荷，且可以组合成多种形式。

鉴于此，天津大学张平副教授（通讯作者）通过对中国传统榫卯工艺的深入研究，利用废弃纸张和聚丙烯（PP）材料，构建了一种新型的榫卯结构摩擦纳米发电机（MT-TENG），这种新结构可以实现高度的坚固性和空间分割。研究表明，在相同空间条件下，MT-TENG的短路电流（I_sc）输出比栅格结构摩擦纳米发电机（G-TENG）高1.7倍。同时本文也对运动幅度和频率对其能量收集的影响因素进行了研究。此外，MT-TENG装置可以采集人体运动的机械能，检测人体手脚的运动状态，尺寸为3cm×3cm的MT-TENG产生的功率可以驱动53个LEDs。本文提供了一种创新的榫卯结构，可以有效地提高TENG的输出性能，在可穿戴电子设备等领域显示出巨大的潜力。相关研究成果以“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”为题发表在Nano Energy上。论文第一作者为博士生张洪浩。

【图文导读】

图一、新型榫卯结构摩擦纳米发电机（MT-TENG）的制备流程

（a）MT-TENG的制造和装配工艺；

（b）G-TENG的制造工艺。

图二、MT-TENG的结构和摩擦电极形貌

（a）MT-TENG结构的光学照片；

（b，c）导电铜带表面和截面的SEM图像；

（d）PDMS薄膜的光学照片；

（e，f）PDMS薄膜表面和横截面的SEM图像。

图三、MT-TENG的工作机理与仿真

（a）MT-TENG原理图；

（b）使用COMSOL对MT-TENG的电极电位分布进行了数值计算。

图四、MT-TENG与G-TENG的对比

（a，b）在相同条件下，测量了G-TENG和MT-TENG的开路电压、短路电流；

（c）输出电压与电流与MT-TENG负载电阻的关系；

（d）输出功率密度与MT-TENG负载电阻的关系；

（e，f）50MΩ MT-TENG的输出电压和电流。

图五、MT-TENG在不同位移振幅和频率下的输出性能

（a，b）MT-TENG的开路电压和短路电流随位移幅值的变化而变化;

（c，d）MT-TENG的开路电压和短路电流随频率的变化而变化;

（e）通过5000个连续工作周期，研究了MT-TENG的稳定性；

图六、MT-TENG在手部运动传感中的应用

（a-c）敲击、拍打和击打；

（d）相对应的三种触摸状态的电压信号。

图七、MT-TENG在人体运动传感中的应用

（a-c）步行、跑步和跳跃；

（d）三种运动状态对应的输出电压信号。

图八、MT-TENG在能源供应中的应用

（a）MT-TENG与53个绿色LEDs相关联；

（b）手指按压时，53个绿色LEDs由MT-TENG供电；

（c）来自不同视角的LEDs亮度图像。

【小结】

综上所述，受中国传统榫卯结构的启发，作者研制了一种新型的榫卯结构摩擦纳米发电机（MT-TENG）。与传统的G-TENG相比，MT-TENG具有更高的硬度。此外，在有限的体积内提高了空间利用率，显示出优越的能量收集性能。 在相同条件下，电流输出增强1.7倍。同时，使用废弃的纸张和PP材料作为支撑材料，体现了环保和轻量化的理念。此外，作者还研究了单个MT-TENG的输出性能，重点研究了运动幅度和频率对其能量收集性能的影响，而且MT-TENG还可用于收集人体运动产生的机械能。具体来讲，设计出了一种基于MT-TENG的设备，可以监测人体手脚的运动状态。最后，由此设计MT-TENG产生的电点亮了53个LEDs。这种环保、重量轻、坚固、便携的电子设备可以实现可持续的自驱动电源，从而在可穿戴电子设备等领域具有良好的潜力。

文献链接：“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”(Nano Energy，2021，10.1016/j.nanoen.2021.105933)

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