单运动激活的混合模式摩擦纳米发电机：滑动与接触协同增强能量输出与灵敏度

本研究针对传统摩擦纳米发电机(TENG)输出效率低和模式单一的问题，开发了一种集成滑动与接触分离模式的混合式摩擦纳米发电机(HSC-TENG)。通过创新性梯形棱柱结构和匹配电极设计，实现了1.28?V开路电压和263?nA短路电流，输出性能较传统接触分离式TENG提升200%。该器件在10000次循环测试中展现良好稳定性，成功应用于电容器充电和自供电人机交互界面，为可持续能源收集和智能传感提供了新方案。

　　

随着物联网技术的快速发展，传感器在可穿戴电子、软体机器人、智能农业和智能家居等领域的应用日益广泛。然而，传感器节点的激增导致对电池的依赖越来越强，引发了关于电池处置的长期可持续性和环境问题的担忧。实现自供电操作通过从环境中收集能量来驱动传感器节点自主运行，成为一种有前景的解决方案。

虽然光伏和风能等能量收集技术已经相当成熟，但它们对多变环境条件的依赖限制了许多场景下的适用性。热电发电机广泛用于可穿戴能量收集，但始终需要恒定的温度梯度。热释电效应将时间温度变化转化为电能，但能量转换效率较低。离子聚合物金属复合材料(IPMCs)因其对机械刺激的高敏感性而被研究，但其长期耐久性仍然是一个问题，主要是由于离子相中的水分蒸发。

摩擦纳米发电机(TENGs)基于摩擦起电和静电感应原理工作，具有高功率密度，能够从人体运动中持续收集能量。自Wang团队首次探索这一概念以来，研究人员通过多种方法增强TENG性能，包括掺入石墨烯、表面形态修饰、表面化学修饰、表面多孔形态以及使用添加剂增加电荷转移等。然而，表面修饰技术可能导致材料随时间磨损，引起微结构表面的碎屑形成，从而降低TENG性能。

为了克服材料层面的这些限制，研究人员探索了系统级策略，如结合多种转换方法的混合能量收集机制。这些包括电磁-摩擦电、压电-摩擦电、摩擦电-光伏组合，都旨在提高单一能量收集器的功率转换效率。虽然这些混合系统提高了整体能量转换效率，但它们通常需要集成多个转换单元，每个单元都有不同的要求，导致设计复杂性增加。

最近，TENG本身的混合化引起了越来越多的关注。然而，现有设计往往涉及堆叠单元，需要精确的机械对齐和额外电极，使实际实施复杂化；或者依赖多轴 pendulum 机制来触发滑动和接触效应，需要复杂的旋转运动，不适合通常涉及垂直位移且横向或旋转分量有限的人体驱动输入。

在这项发表于《Next Energy》的研究中，马来西亚拉曼大学的研究团队提出了一种基于横向滑动(LS)和接触分离(CS)机制的混合摩擦纳米发电机(HSC-TENG)。该器件通过单个垂直驱动同时诱导横向滑动和垂直分离，从而最大化摩擦电荷生成。

研究人员主要采用了三项关键技术方法：1）基于计算机辅助设计的3D打印技术制造聚乳酸(PLA)摩擦层和模具；2）软光刻技术使用Ecoflex 0050硅胶弹性体制备负摩擦层；3）COMSOL Multiphysics?仿真分析用于评估电场分布和器件性能。研究还使用了来自中国在线购物平台的导电纺织品作为电极材料。

4.1. 传感器表征

研究人员使用电液伺服疲劳试验机对HSC-TENG和传统平面结构TENG(Flat-TENG)进行了性能测试。结果显示，Flat-TENG记录了0.66V的电压和76nA的电流，而HSC-TENG实现了显著更高的1.28V和263nA输出。虽然机器测试期间的总体输出电压和电流仍然相对较低，这主要归因于测试平台的慢驱动速度，但在相同驱动条件下，梯形棱柱结构的引入仍然带来了明显的性能提升。

进一步的分析考察了结构设计对输出性能的影响。4棱柱结构和扁平电极配置的开路电压和短路电流输出都显著低于标准的5棱柱HSC-TENG。性能下降是因为摩擦层表面的电荷由于距离较远无法通过电极流动，因为扁平电极放置在棱柱结构的底部，离尖端和边缘更远。这些结果证实，棱柱结构的数量和电极形状在优化器件能量收集能力方面都起着关键作用。

负载电阻测试显示，随着电阻增加到1GΩ，最大开路电压从8.86μV增加到2.37V。相反，最大短路电流呈现相反趋势，从393nA减少到106nA。在200MΩ的负载电阻下获得了0.3μW的最大输出功率，对应的功率密度为134.71μW/m2。耐久性测试证实TENG能够承受长期使用而不会显著退化。

4.2. TENG的集成与应用

为了验证HSC-TENG的能量收集能力，研究人员将其连接到全波桥式整流器，输出连接到不同大小的电容器(1μF、10μF和47μF)。电容器使用电液伺服脉冲器以5Hz频率的重复机械驱动进行充电。结果证实HSC-TENG可以有效地将机械能转化为存储的电能，展示了其作为低功率电子设备自供电源的可行性。

为了探索其在人机界面(HMI)中的实际适用性，研究人员使用轻、中、重手指按压手动点击HSC-TENG以模拟不同水平的人类输入。结果显示HSC-TENG能够区分不同的输入强度，表明其作为力敏感人机界面的潜力。

手拍过程成功为47μF电容器充电，改装后的商用计算器在1.5V开启电压下正常工作，当使用手拍过程充电的47μF电容器作为能量存储设备为计算器提供临时电源时。这表明HSC-TENG能够作为低功率电子设备的自供电电源。

研究人员还编程Arduino Uno表面贴装设备(SMD)使用HSC-TENG的输出电压脉冲作为输入信号，触发自定义交互式球跳游戏中的"跳跃"。游戏输出显示在连接到Arduino Uno SMD的有机发光二极管(OLED)屏幕上。为了保护微控制器，串联了一个10MΩ的负载电阻将产生的电压降低到约0.36V。

交互式游戏显示中，初始时屏幕上显示一个代表"玩家"的球。随着游戏进行，不同高度的障碍物从右侧接近。游戏目标是通过触发HSC-TENG使球跳跃来避开这些 incoming 障碍物。每个障碍物由OLED屏幕上显示的垂直像素数表示，要求用户对HSC-TENG施加不同水平的敲击力以实现足够的跳跃高度。

当用户点击HSC-TENG时，产生的输出电压被Arduino解释以启动跳跃动作。正确计时和足够强度的敲击允许球避开障碍物；否则会发生碰撞，游戏以屏幕显示"Game Over"结束。HSC-TENG作为自供电按钮，结合了电容开关的响应性和传统按钮的机械驱动，能够检测轻触和坚定按压而无需外部电源。此外，其柔软且顺从的Ecoflex表面相比刚性传统开关提供更大的舒适性。这个演示突出了HSC-TENG作为交互和康复应用的自供电、力敏感人机界面的潜力。

5. 结论

本研究开发的混合滑动接触模式摩擦纳米发电机(HSC-TENG)通过梯形棱柱结构集成横向滑动和垂直接触分离模式，在紧凑形式中有效结合了双摩擦电机制的优势。使用3D打印和软光刻技术制造的HSC-TENG实现了1.28V开路电压、263nA短路电流，在200MΩ时最大输出功率为0.3μW，在相同条件下显著优于传统平面模式TENG。结构评估证实棱柱结构数量和采用折叠、棱柱形电极对最大化电荷转移至关重要。10000次循环的耐久性测试进一步证明了器件的机械鲁棒性。

在实际应用中，HSC-TENG成功为不同大小的电容器充电，并供电一个交互式球跳游戏。游戏利用了器件的压力敏感性，其中不同的敲击力导致不同的跳跃高度，展示了其作为自供电压力传感器的潜力。这种双重功能不仅展示了TENG的能量收集能力，而且显示了其在智能界面和康复技术中的前景。该工作突出了增强摩擦电性能的可扩展和材料高效设计策略，同时实现无需外部电源的交互应用。