摩擦電納米發(fā)電機（TENGs，Triboelectric nanogenerators）是一種利用摩擦帶電效應(yīng)和靜電感應(yīng)原理，將機械能轉(zhuǎn)換為電能的新型能量收集和傳感技術(shù)。

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，TENGs 具有為低功率電子產(chǎn)品供電或制備自供電傳感器的巨大潛力，相比其他常見的能量轉(zhuǎn)換方法比如壓電和電磁，TENGs 具有更高的效率和靈活性。

在 TENGs 的四種基本工作模式中，滑動式 TENG（S-TENG，Sliding Triboelectric nanogenerators）是其中之一。S-TENG 以材料選擇廣泛、制備工藝簡單、成本低廉和結(jié)構(gòu)易于封裝等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。

(資料圖片僅供參考)

然而，S-TENG 也存在著一個顯著缺陷，即上下部分的接觸壓力不足，這會降低其能量收集性能和傳感靈敏度。

TENGs 的輸出特性受到機械結(jié)構(gòu)和外部激勵的重要影響。針對不同模式 TENGs 的輸出功率、匹配電阻和能量轉(zhuǎn)換效率，隨接觸面積、膜厚度、觸發(fā)頻率、水平力和位移距離等因素變化的規(guī)律，已有文獻(xiàn)開展了實驗研究和理論分析。

基于等效電路模型和 TENGs 的控制方程，人們也建立了 S-TENG 的基本輸出特性理論。然而，外部預(yù)緊力對 S-TENG 的電輸出性能的影響尚不明確，已得到報道的相關(guān)研究也比較少。

因此，深入探究外部預(yù)緊力與 S-TENG 的機電耦合關(guān)系，對于優(yōu)化其能量收集和傳感性能具有重要意義。鑒于磁力是一種常用的外部載荷方式，相比于其他作用力方法，它可以作為施加預(yù)緊力的一種簡便策略。

為此，上海大學(xué)副教授李忠杰和合作者提出一種在 S-TENG 中外加柔性磁層的新方法，借此他們研究了磁預(yù)緊力對于 S-TENG 機電耦合效應(yīng)（MS-TENG，Mechnosensational TENG）的影響。

通過引入磁預(yù)緊力系數(shù)，課題組建立了 MS-TENG 的機電特性理論模型。基于等效電路模型，分析了磁預(yù)緊力、負(fù)載電阻和滑動頻率對 MS-TENG 在低速滑動下的輸出性能的影響規(guī)律。

進(jìn)而，他們驗證了 MS-TENG 的輸出性能與磁預(yù)緊力、負(fù)載電阻和滑動頻率之間的關(guān)系，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明兩者具備良好的一致性。

概括來說，本次研究揭示了磁預(yù)緊力在 MS-TENG 上的作用機制，對于磁預(yù)緊力與其他激勵因素在 MS-TENG 上的輸出性能上的協(xié)同效應(yīng)加以說明，為優(yōu)化滑動式 TENG 的能量收集和傳感性能提供了一種有效途徑。

（來源：Advanced Functional Materials）

該成果的潛在應(yīng)用主要有兩方面：能量收集和傳感。一方面它可以提高滑動式 TENG 的電性能輸出，能對人體或其他物聯(lián)環(huán)境的運動機械能進(jìn)行高效收集，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，這能為各類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)低功耗電子設(shè)備供電，從而實現(xiàn)能源的自主補給與設(shè)備自供電。

另一方面該成果可以大幅提高 TENG 傳感器的靈敏度，當(dāng)將其置于待測節(jié)點處之時，即可用于對節(jié)點運動與變形信息進(jìn)行高精度的監(jiān)測。尤其在生物信息的識別上，本次成果能夠進(jìn)行手勢識別，以及通過制備滑動觸摸板來進(jìn)行人機交互，故能為物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域的信息柔性感知發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。

具體研究步驟如下：

期間，他們先是構(gòu)思出來所需要的裝置樣機雛形以及實驗思路。然后對裝置進(jìn)行第一次加工：即采用三維建模系統(tǒng)對實驗裝置樣機進(jìn)行初步建模，繪制工程圖紙并研制原理樣機。這時，對所需柔性磁貼磁力的大小進(jìn)行預(yù)估，以獲取所需要的柔性磁貼。

然后，他們開始進(jìn)行第一次試驗，通過設(shè)置激勵條件與制定試驗方案，在試驗中得到初步數(shù)據(jù)并分析其效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原理樣機存在不足之處，因此沒有完全達(dá)到預(yù)期效果。

于是，他們對裝置加以改進(jìn)。針對第一次加工裝置所出現(xiàn)問題以及不足來進(jìn)行樣機改進(jìn)，并優(yōu)化后續(xù)試驗方案。在第二次試驗中，課題組初步得到一批數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合以及利用參數(shù)辨識方法，得到了所需的理論模型參數(shù)。

隨后，他們開展精細(xì)的實驗驗證與研究。針對多組 TENG 進(jìn)行重復(fù)性實驗，從而得到相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。

接著，他們使用數(shù)據(jù)處理軟件對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制了校正后的理論模型結(jié)果以及實驗研究結(jié)果，并通過多方對比完成了機理驗證。

最終，相關(guān)論文以《磁預(yù)壓滑動模式納米發(fā)電機的力-摩擦電轉(zhuǎn)換》（Mechano-triboelectric Transduction of Sliding-mode Nanogenerators with Magnetic Pre-stress）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials 。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）

上海大學(xué)博士生章欽是第一作者，上海大學(xué)李忠杰副教授和張泉副教授、以及重慶大學(xué)郭恒宇教授擔(dān)任共同通訊作者 [1]。

圖 | 李忠杰（來源：李忠杰）

未來，他們打算基于這款磁預(yù)緊力模型開展一些應(yīng)用。由于該磁預(yù)緊力策略可以提高 TENG 的輸出性能，因此課題組擬通過在材料中添加磁粉的方法制備一個基于此策略的 TENG 傳感手套，以用于監(jiān)測手指彎曲。其中，磁預(yù)緊力策略能夠提高 TENG 傳感手套的靈敏度，實現(xiàn)對手指彎曲角度的高精度監(jiān)測。

另據(jù)悉，李忠杰承擔(dān)的“科技創(chuàng)新行動計劃”社會發(fā)展科技攻關(guān)項目（400 萬元），曾于 2022 年入選“上?？萍记嗄?35 人引領(lǐng)計劃”。

據(jù)介紹，“科技創(chuàng)新行動計劃”旨在針對海洋水下監(jiān)測系統(tǒng)續(xù)航時長有限、且嚴(yán)重受制于自攜能源的問題，采用自主俘獲環(huán)境動能的方式，為系統(tǒng)實現(xiàn)自主高效供能的總體思路。

這項研究基于階段非線性低頻振動俘能機制、以及渦機扭振洋流流向自適應(yīng)機理和能量傳遞機制，突破了時變海況與俘能控制技術(shù)、基于赫維賽德方程的磁場高效機電轉(zhuǎn)化技術(shù)、以及俘能器件組網(wǎng)與電能管理技術(shù)，目的是希望解決海洋環(huán)境能量收集難、電能傳遞效率低的國際難題，研制面向海洋監(jiān)測系統(tǒng)與作業(yè)環(huán)境的高功率密度自主能-供能系統(tǒng)。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)某海域場進(jìn)行海試，成功實現(xiàn)了利用海洋無規(guī)則環(huán)境動能對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行全天候快速充電的功能，續(xù)航時間提高至少 100%，為海洋超長時作業(yè)效能提供了重要支撐。

此外，李忠杰還曾參與“高科技賦能長江口二號古船水下考古”的項目。他和團(tuán)隊研制的水下自供能水文信息監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)場水下復(fù)雜水環(huán)境能源，實現(xiàn)了對發(fā)掘現(xiàn)場的強時變水文信息的超長時感知。

目前，該課題組已經(jīng)在國際頂刊和國內(nèi)外頂會上累計發(fā)表 SCI/EI 論文 30 余篇、獲授權(quán)發(fā)明專利 30 余項。

參考資料：

1.Zhang, Q., Shen, F., Cao, C., Gong, Y., Wang, B., Li, Z., ... & Guo, H. (2023). Mechano‐Triboelectric Transduction of Sliding‐Mode Nanogenerators with Magnetic Pre‐Stress. Advanced Functional Materials , 2301655.

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