研究背景

能源生产是一个全球性的研究兴趣，它极大地影响着我们的日常生活质量和现代社会的工业化发展。在应对全球能源短缺和当前的环境污染方面，寻找减少碳排放的可持续电源和可再生能源技术是绿色经济和人类文明健康发展的迫切需要。此外,随着世界正迈入物联网(IoT)和第五代无线网络(5G)的时代，各种自供电的电子产品被认为是即将到来的工业革命的基础，走向智能世界。这种广泛分布的自供电电子产品涵盖了从工业电子到个人电子，从可穿戴电子到可植入电子，从宏观系统到可持续系统的应用范围，遍及我们生活的每个角落。随着电子设备的小型化、轻量化和便携性的发展趋势，需要可持续的电源解决方案来满足即将到来的智能世界的要求，而传统的电池由于其有限的寿命、环境影响和定期更换而面临挑战。为了克服上述缺点，最好的解决方案是设计能够从周围环境中获取能量的设备。事实上，机械能是环境中最广泛和最丰富的能量之一，使机械能到电能的转换成为一种有潜力的技术，为小型电子产品提供动力。许多能量收集的机制已经被开发出来,包括压电效应、静电效应和电磁感应等等。然而，这些技术通常需要复杂的结构，并在高频刺激下工作，在低频领域具有较低的转导效率和低电压输出，这极大地限制了它们在智能世界的潜在应用。因此，王中林院士在2012年首次发明了摩擦纳米发电机(TENG)，并吸引了全世界的研究兴趣，经历了重大发展，成为能源采集领域的一项有前途的技术，特别是在纳米能源和纳米系统(NENS)。TENG 的工作机制来自于摩擦效应和静电感应效应的耦合。当两种不同的材料相互接触和分离时，由于瞬时的电压差，电子会在外部电路中来回流动以保持平衡。通常，TENG的工作机制可分为四种基本模式:垂直接触-分离模式、平面内滑动模式、单电极模式和独立模式。为了提高TENG的能量收集效率，人们沿着纳米和微观表面结构的方向进行了大量的研究，以增加电荷的产生。利用电荷生成和传输的优势，各种具有独特功能的自供电传感器得到了很好的发展，如物理传感器、化学/气体传感器和流体传感器等。除了其出色的能量收集能力和它所实现的广泛的自供电传感器集合，TENG还可以很容易地集成到NENS中，以检测或与周围环境互动，如蓝色能量传感器节点、可穿戴传感器/人机界面(HMI) 、神经界面/植入式设备和光学界面/可穿戴式光子学。此外，通过与其他可持续系统的潜在技术整合，TENG 具有更大的应用潜力，其目标是更多的电力输出、自我修复以及与智能世界的物联网的协同作用。在这篇文章中，作者系统地报告了TENG技术从能量采集、自供电传感到NENS的进展。结合TENG技术将机械能转化为电能的各种优势以及在智能系统中的潜在应用，文章总结了TENG的技术发展、研究方向以及商业化的路线图。从介绍TENG的机理开始，包括复合材料的电荷生成和能量提升方式、机械结构设计和外部电路辅助，然后介绍TENG对各种物理和化学传感场景的普遍适应性，以及自供电策略。之后，进一步介绍了其在NENS中的多样化应用，如蓝色能源、可穿戴电子/HMI、神经接口/植入式设备和光学接口/可穿戴光子学。借助上述NENS中的TENG技术，所形成的具有先进的自供电传感器节点的智能系统可以在许多场景中实现广泛的令人印象深刻的应用，如运动训练模拟、医疗康复、娱乐和机器学习辅助方法以方便人类生活。在TENG技术之外的新研究方向上，随着信息产业和5G的快速发展，自持式NENS将极大地受益于混合能量采集技术(即电磁和/或压电集成)、介电弹性体增强、自修复、形状自适应能力以及物联网传感器节点。最后讨论了关于TENG技术的未来发展趋势，即朝着多功能和可持续的智能系统发展。

成果简介

摩擦纳米发电机(TENG) 技术是在机械、电气、光学、声学、流体等方面进行能量采集和纳米能源与纳米系统(NENS) 的一个有前景的研究领域。新加坡国立大学Chengkuo Lee教授就此系统地报告了TENG技术的进展，包括能量提升、新兴材料、自供电传感器、NENS以及与其他潜在技术的进一步整合。从TENG的机制开始，包括电荷产生和能量提升的方式，作者介绍了从能量采集器到各种自供电传感器的应用，即物理传感器、化学/气体传感器。之后，讨论了NENS 的进一步应用，如蓝色能源、人机界面(HMIs) 、神经界面/植入式设备和光学界面/可穿戴光子学。在TENG之外的新研究方向上，作者描述了混合能量采集技术、电介质-弹性体增强技术、自我修复、形状适应能力以及自我维持的NENS和物联网(loT)。最后，对TENG技术的未来发展趋势进行了展望和总结，以实现多功能和智能系统。

图文导读

图1 TENG技术演变的里程碑-从能量采集到纳米能源和纳米系统( NENS)。

图2 基于材料/结构/电路的能量提升的机制。

图3 自供电的物理传感器。

图4 采用先进电极设计的自供电物理传感器。

图5 可穿戴的自供电的气体和化学传感器。

图6 用于蓝色能源应用的TENG。

图7 用于人机界面应用的可穿戴式TENG。

图8 神经接口和植入式设备的TENG。

图9 光学应用的TENG。

图10 通过TENG和EMG的混合生成器。

图11 TENG和PENG混合能量采集。

图12 介质弹性体增强的TENG。

图13 新的研究方向:材料诱导的新功能和TENG的性能提升。

图14 新的研究方向:自我维持的NENS和/或IoT传感器节点。

总结展望

随着智能/智慧系统中的能量采集的蓬勃发展，作者从能量采集到NENS的角度回顾了TENG技术的发展路线图。为了提高能量收集的效率，表面微/纳米结构并不是增加有效接触面积的唯一解诀方案，其他可能的解决方案，如使用复合材料,外部电路系统，甚至是具有适当时序操作的机械结构设计。由于设计简单新颖、工作机制简单、重量轻、体积小等特点，TENG有可能与每一个电子设备结合使用，从小型到大型，特别适合即将到来的5G和物联网关于自供电传感器方面的需求。为了提高TENG的能量收集效率，已经研究了很多方法(材料复合、外部"电荷泵"和电路系统)。此外，还研究了产生直流输出的新机制，以直接为电子设备供电。同时，大量的自供电物理传感器已经被开发出来，包括压力/力传感器、触觉传感器、应变和弯曲传感器、加速度和旋转传感器等等，用于触觉、感官机器人、人机界面和医疗监测等方面的应用。为了实现多功能，在摩擦材料和结构设计的帮助下，先进的电极设计也可以被纳入传统的TENG中，从而形成面向应用的TENG配置，即以实时和现场传感的形式独立运行。在NENS方面，蓝色能源是最重要的应用方向之一，它主要以波浪能、潮汐能和渗透能的形式进行采集。在可穿戴电子设备和人机界面方面，TENG 在实现与数字世界的高级操控方面显示了潜在的能力。同时，采用TENG技术的神经接口/可植入设备为可自我维持的神经调节、肌肉刺激、传感、治疗和为其他医疗设备供电打开了大门，从而减少了对电池的依赖，延长了设备的使用寿命。此外，TENG还增强了广泛的光学功能，包括光发射、光检测和光调制，以实现自供电发光、智能显示、无线通信、个人隐私保护和运动监测等应用。除了作为能量收集器和自供电传感器的功能外，超过TENG技术促进了混合能量收集技术的研究方向,如与电磁和/或压电机制的整合，这为5G中的物联网传感器节点提供了一个具有高传导效率、成本效益和兼容性的有前途的能源解决方案。另一个新的研究方向是通过探索具有形状记忆能力、自愈能力、形状适应能力和可拉伸性的新型材料，赋予TENGs新的功能。在这些功能材料的帮助下，TENG显示出简单多样的配置、显著的灵活性/伸展性、形状记忆能力、自愈能力、形状自适应能力、高输出性能、无材料限制、成本效益和良好的可扩展性等优势。最后，TENG技术的蓬勃发展促进了各种基于TENG和TENG集成的全新研究领域的出现，即能量采集、自供电传感/驱动以及具有多功能和自持力的智能/智慧NENS (能量采集模块、电源管理模块、信号处理模块、显示和交互模块)，应用于个性化医疗监测和治疗、身份识别、智能家居/建筑以及VR/AR场景下的智能交互等。

文献链接

Progress in TENG technology—A journey from energy harvesting to nanoenergy and nanosystem，EcoMat., DOI: 10.1002/eom2.12058.https://doi.org/10.1002/eom2.12058