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Nano Energy综述：可穿戴式摩擦纳米发电机的设计、制备及应用

邃瞳科学云

2020-11-30

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第一作者：王浩彬博士

通讯作者：张海霞教授

通讯单位：北京大学

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105627

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近日，北京大学张海霞教授研究团队详细介绍了TENG在可穿戴领域的最新进展：从其基本的设计到主动式的功能拓展，再到由其驱动的穿戴式电子系统。这篇综述选取多样化的可穿戴TENG技术的示例以体现其广阔的实用前景，并旨在促进TENG与更多学科的交叉融合来推动柔性集成电子体系的进一步发展。TENG多样化的穿戴形式（图1）是否已经让您联想到将来穿着TENG在运动场挥洒汗水、记录健康的情景！该工作发表于Nano Energy，张海霞教授博士生王浩彬为论文第一作者。

图1. TENG的基本工作模式及可穿戴形式

研究背景

摩擦纳米发电机（TENG）以广泛的材料选择及简易的器件构型，实时、高效地捕获人体运动过程中产生的能量，因为成为人们日常工作生活和可穿戴电子设备之间的“桥梁”。这种能量转换形式不仅可以源源不断地为电子系统提供能量输入，背后还蕴含了丰富的信息量为主动式传感、执行及人机交互界面提供了可靠的解决方案。

图文解析

为了使TENG真正具备可穿戴的能力，我们不仅应考虑摩擦材料和引出电极的柔性/可拉伸性，而且应兼顾更多实用特性（尤其是生物相容性、穿戴保形性、可洗性、透气性及自修复特性等，图2）以满足人们多样化的实际需求。

图2. 可穿戴TENG的材料学设计

有了符合穿戴要求的材料，我们设计配套的加工工艺设时应权衡工艺的成本/复杂度，可控性，及大众的接受度以一定程度上消除日常生活与实验室研发之间的界限（图3）。

图3. 可穿戴TENG的工艺优化

在赋予材料、工艺上述实用特性的同时，其电学和力学特性也应值得关注。图4通过表面修饰/微结构及其他有效的构型设计，使得TENG的输出性能有了显著提升，且缓解了材料接触界面的应力失配及环境噪声/干扰对输出的影响。

图4. 可穿戴TENG的性能优化

当TENG面向穿戴式领域的基本设计达到标准之后，我们便可以探索其应用情景及实用价值。TENG的器件级应用主要利用了其宝贵的输出信号信息。图5选取了基于TENG的主动式传感的实例，说明不仅是输出信号的幅值，信号的极性、频率、波形的细节等也可以作为丰富的传感信息源；并结合无线传输，机器学习等技术实现辅助式器官感知，健康监测，疾病预防及户外预警等功能。

图5. 可穿戴TENG用于主动式传感

图6则主要突出了可穿戴TENG在生物医学执行器方向扮演的角色。通过促进药物疏运，神经/肌肉刺激及构建“人造反射弧”等应用情境体现TENG“取于生活，用于生活”的设计理念。

图6. 可穿戴TENG用于医学执行器

此外，可穿戴TENG的信号转换机制很大程度上降低了人机界面的复杂度和功耗，这对于机器人控制及人机实时交互方面等应用是十分有益的（图7）。

图7. 可穿戴TENG用于人机交互

除了将人体大小尺度的动作转换成有效的电学信号极大促进我们的生活，可穿戴TENG驱动的电子系统则体现了其高效的能量采集能力。目前，穿戴式TENG技术不仅可以提供电子系统中功能元件所需的能量，后端处理、传输电路的功耗也可以被TENG的输出所覆盖。此外，用TENG主动式的工作模式替换被动式的功能元件并配合高效的能量管理，可以使整个电子系统实现全基于TENG的性能集成（图8A-8C）。

图8. 基于可穿戴TENG的自供能系统

为了提高系统的集成度，我们需考虑更多的集成指标（比如工艺层面与构型层面的集成）。目前，将TENG和储能元件（超级电容器，锂离子电池等）用相兼容的工艺组装成自充电能量单元，可以使电子系统变得更紧凑且更适合穿戴式应用（图8D-8F）。在此基础上，有课题组将相关电路模块制备在可降解及生物兼容的衬底上，以提升系统整体的工艺集成度。

最后，本文就可穿戴TENG的“材料及工艺”，“实际穿戴采能”，“传感及执行”，“自供能集成”四个方面做了细致深入的剖析及展望。本文也希望借“可穿戴”这个主题去启发TENG更多实用方向的推演。

图9. 可穿戴TENG的发展机遇及挑战

文献来源

Haobin Wang, Mengdi Han, Yu Song, Haixia Zhang, Design, manufacturing and applications of wearable triboelectric nanogenerators, Nano Energy, 2020, 105627.

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105627

本文来自张海霞教授团队的公众号“iCAN霞客行”