StaticDrive：一种基于摩擦纳米发电机与介电液体拉链驱动器的固态机电-电机械量传输系统

为解决摩擦纳米发电机（TENG）难以直接驱动高功率致动器的问题，研究人员开发了一种名为StaticDrive的机械-电-机械能量传输系统。该系统通过Halbach磁阵列增强型TENG将任意滑动运动转化为高电压（>3.5kV）和电流（>90μA）输出，并直接驱动介电液体拉链（DLZ）执行器，实现了导管尖端精确偏转和抓取功能，为微创手术和软体机器人提供了紧凑型自驱动解决方案。

　　

在能量采集领域，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其能够将机械能转化为电能而备受关注，广泛应用于自供电传感器和低功耗电子设备。然而，TENG技术存在显著局限性：其输出性能高度依赖高频机械运动，难以适应缓慢或任意速度的运动模式；同时具有高内阻特性，导致输出电流较低，难以满足致动器的高功率需求。传统方法需要通过能量存储组件或多TENG阵列并联来驱动致动器，但这会增加系统体积和复杂度。特别是在微创手术、血管内介入等难以触及的环境中，传统机械传动系统（如肌腱、齿轮、气动装置）面临微型化、柔顺性和多致动器集成的挑战。

针对这些问题，帝国理工学院生物工程系的Jian Wen、Yuejun Xu、Ali Sadeghi和Majid Taghavi团队在《Nano Energy》上发表了一项创新研究，提出了一种名为StaticDrive的固态机械-电-机械能量传输系统。该系统通过将高性能摩擦纳米发电机与介电液体拉链（Dielectrophoretic Liquid Zipping, DLZ）致动器直接耦合，实现了机械能的高效传输和转换，无需额外的能量存储装置。

研究人员采用了几项关键技术：首先开发了基于Halbach磁阵列结构的TENG（Halbach-TENG），通过柔性磁层实现多稳态跳跃运动，将手动操纵杆的滑动转换为快速接触-分离与滑动复合模式，显著提升电荷分离效率；其次设计了介电液体增强的DLZ致动器，利用高电场下的介电泳效应实现120倍的理论力放大；通过超细导线（直径0.1mm）连接输入节点与远端致动器，构建完整的能量传输系统；最后在脑血管模型和抓取实验中验证了系统的操控性能，使用激光位移传感器和力学模型量化了输出力与位移关系。

4.1. Halbach-TENG

研究人员通过优化电极布局、磁层尺寸和负载条件，确定了最佳参数：采用4mm宽叉指电极、0.8mm厚磁层和100×72mm尺寸，实现了4300V开路电压和90μA短路电流输出。磁层的多稳态运动将单次操纵杆操作转化为快速跃迁运动，显著提高了dC/dt（电容变化率），使输出性能超越传统单模式TENG。

4.2. Distant tip actuator

DLZ致动器由绝缘柔性电极和硅油介质组成，直接由Halbach-TENG驱动。实验表明，即使负载50mg重量，致动器仍能在数秒内完成拉链式闭合。添加二极管可减少电荷衰减，提高致动速度。

4.3. StaticDrive Demonstrations

4.4. Catheter with actuated tip deflection

开发的导管模型采用预弯曲钢带结构，通过静电吸引实现左右转向。在脑血管模型中，操纵杆操作16-20次即可实现尖端定向偏转。力学测试表明，尖端输出力可达1.83mN（位移0.046mm时）。

4.5. Distal end gripping

集成抓取功能的远端执行器通过PVC夹爪和拉链电极实现，仅需4秒即可抓取3D打印瓶模型，并在停止操作后5秒释放，展示了多模态致动的可能性。

研究结论表明，StaticDrive成功实现了机械能到电能的直接转换与传输，解决了TENG驱动致动器的核心难题。Halbach-TENG的3500V高压输出与DLZ致动器的高阻抗特性完美匹配，无需能量缓冲装置。该系统在微创手术器械、软体机器人和难以触及环境操作中具有广泛应用前景，为传统机械传动系统提供了固态替代方案。未来研究将聚焦于多功能致动集成和结构封装优化，进一步提升实用性能。