基于摩擦纳米发电机的自供电传感平台在智能采矿工业中的应用：实现超低启动风速与多参数环境监测

为解决地下矿井中传统风速传感器精度低、维护成本高且无法检测有毒气体的难题，研究人员开发了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）的自供电传感平台（TESS）。该平台通过混合模式TENG实现16.36 mW m-2的功率密度，并集成非接触式TENG风速传感器（启动风速低至0.32 m s-1）及多参数传感器节点（CO、NO2、NH3等）。研究成果发表于《Nature Communications》，为矿井安全监测提供了无线、无电池的可持续解决方案。

　　

黄金开采是支撑现代经济和科技发展的关键产业，但地下矿井环境恶劣——温度超过308.15 K、湿度高于90%、爆炸和重型机械排放的有毒气体（如CO、NO₂、NH₃）威胁矿工安全。传统通风系统依赖的风速传感器存在显著缺陷：安装需隧道成型后部署、依赖持续供电、电缆易损、易受粉尘污染，且无法直接监测气体浓度。更严峻的是，仅靠风速评估空气质量可能导致严重中毒事件。如何实现低成本、免维护、多参数实时监测，成为矿井安全领域的核心挑战。

北京科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，提出基于摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的自供电传感平台（TESS）。该平台通过创新设计的非接触式TENG风速传感器和混合模式TENG能量采集器，实现了0.32 m s^-1的超低启动风速、16.36 mW m^-2的功率密度，以及长达3个月的连续运行能力。TESS成功整合了风速、温湿度、气压及有毒气体浓度的无线监测功能，为智能采矿工业提供了革命性的解决方案。

研究团队采用多项关键技术：1）基于计算流体力学（CFD）优化涡轮叶片设计，实现非接触式TENG的低摩擦启动；2）混合模式TENG结合接触分离与自由站立模式，通过涡激振动（VIV）驱动氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜振荡发电；3）自驱动电源管理系统（PMS）实现45234%的整流效率提升；4）低功耗LoRa无线传输模块集成多传感器数据采集。

自供电风速传感器的设计与性能
通过3D打印弧形边缘涡轮（叶片数n=2，角度θ=180°）和螺旋铜电极，非接触式TENG在CFD模拟中显示3 Pa的压差驱动能力。其信号频率与风速（0.32–8.97 m s^-1）呈线性关系（R²=0.99532），稳定性优于商用热线传感器。

混合模式TENG的能量采集机制
矩形渐缩管与扰流片设计使FEP薄膜在1.2 m s^-1涡流下振荡，产生4.55 kV峰峰值电压。高速摄像显示薄膜的冲击波扩展了输出信号持续时间，而水平布局比垂直布局效率高16.36 mW m^-2。

电源管理系统的优化
采用硅控整流器（SCR）的PMS将4.7 nF输入电容与22 μH电感匹配，使470 μF储能电容在10秒内充电至5.11 V，效率较传统整流桥提升45234%。

矿井实地测试验证
在山东某金矿（地下626米）的测试中，TESS在4.25 m s^-1风速、91.2%湿度下，以166秒周期稳定驱动传感器节点。尽管5个月后FEP薄膜因热变形性能下降，系统仍能完成数据传输。

该研究标志着TENG技术向工业安全监测迈出关键一步。TESS的模块化榫卯结构便于维护，其无电池设计解决了矿井电缆易损难题。未来通过材料升级（如碳纤维增强聚合物），可进一步提升耐久性。这一平台还可拓展至地下交通、极端环境监测等领域，推动可持续传感基础设施的发展。

研究团队特别指出，混合模式TENG的机电耦合模型将为后续研究提供预测工具，而低功耗LoRa技术对构建全球智能监测网络具有普适意义。这项成果不仅填补了矿井多参数实时监测的技术空白，也为环境能量采集与物联网的融合树立了新范式。