基于摩擦起电-电磁发电机技术的混合动力背包，用于实现自供电的现场安全管理

《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》：Triboelectric–Electromagnetic Generator-Enabled Hybrid Power Backpack for Self-Powered Field Safety Management

　　摘要

背包式电源是一种能量收集解决方案，旨在通过将人体重心垂直移动所产生的势能转化为电能，从而减少可穿戴电子设备对电池的依赖。然而，传统设计仍受限于较高的激活速度、过重的质量和次优的功率输出。为了解决这些限制，设计了一种集成了摩擦电-电磁发电机的轻量级混合动力背包。该背包结合了基于拉伸-压缩弹簧的振动单元和两个齿轮齿条辅助传动单元，同时激活了两个滑模电荷迁移摩擦电纳米发电机（SC-TENG）和四个旋转电磁发电机（R-EMG）。通过系统的摩擦材料配对、电极配置、连接方法、弹簧刚度和齿轮压力角的优化，这种混合动力背包实现了低至3公里/小时的运行阈值，并提供了0.18瓦/公斤的特定功率输出。实际应用表明，该系统能够实现自供电的现场安全管理系统，具备实时监测人体运动的能力，并配备了紫外线水消毒和夜间照明功能。本文介绍的混合动力背包为生物机械能量收集提供了一种高效的方法，同时采用了一种分流策略，以最佳方式利用能量收集器的输出特性，构建了一个多功能自供电系统。

1 引言

随着科学技术的快速发展，可穿戴电子设备已日益融入日常生活，随之而来的挑战是确保可靠的电力供应。[1-5] 为此，研究人员越来越多地将研究方向转向利用人体运动能量，这是一种环保且可再生的能源，因其不受外部条件影响而具有持续可用性。[6-9] 值得注意的是，人体每天大约产生800万焦耳的能量，如果不用，大部分会以废热的形式散失到环境中。[10] 利用这种丰富但被忽视的能量可以为可穿戴设备提供可持续的现场电源解决方案，从而降低其对传统电池的依赖。[11-17] 在各种人体运动形式中，如行走或跑步时人体重心的节奏性移动会产生时变的势能，这种势能可以通过背包中使用的三种主要机制来收集：压电效应[18]、电磁效应[19-24]和摩擦电效应[25, 26]。最近，先进的机电耦合技术和混合能量收集技术被广泛探索，以提高环境适应性和功率密度。[27, 28] 此外，关于非线性机电耦合动力学、仿生阵列配置和可变势阱中稳定性转变的研究为提高混合能量收集器的效率提供了重要的理论范式和结构设计见解。[29-31]

尽管这一领域取得了显著进展，现有方法仍存在固有的局限性。[32-37] Luo等人设计了一种增强型背包，其中包含基于铅掺杂锆钛酸盐压电单元的振动能量转换器，在人体运动时可实现4伏的电压输出。[38] 然而，这一电压对于实际户外应用来说仍然不足。为了提高发电效率，Rammohan等人设计了一种利用电磁感应的解耦背包，在6.5公里/小时的速度和12.8公斤的负载下可实现2.1瓦的峰值功率。[39] 尽管该设计提高了输出功率，但它存在两个关键缺点：过重的重量给用户带来很大的身体负担，以及所需的速度超过了典型的步行速度，主要是由于克服系统惯性和磁制动扭矩所需的高激活阈值。相比之下，Yang等人构建了一种三层摩擦电耦合背包，在5公里/小时的速度和2.75公斤的负载下可实现240毫瓦的峰值功率。[40] 虽然这种配置减轻了物理负担，但其适用性仍然受到摩擦电纳米发电机（TENG）本身低输出的限制。这些进展突显了迫切需要找到在功率输出和便携性之间取得最佳平衡的策略。因此，开发能够在日常活动中持续供应能量的轻量级背包仍然是一个持久的研究难题。在本研究中，我们提出了一种轻量级混合动力背包，通过集成两个滑模电荷迁移摩擦电纳米发电机（SC-TENG）和四个旋转电磁发电机（R-EMG）来高效收集人体运动能量。该系统采用了双机制设计：基于拉伸-压缩弹簧的振动单元驱动两个SC-TENG，同时两个齿轮齿条辅助传动单元激活四个R-EMG。通过包括摩擦材料配对、电极配置、连接方法、弹簧刚度和齿轮压力角在内的全面优化，背包实现了低运行阈值（3公里/小时）和高特定功率输出（0.18瓦/公斤）。在实际应用中，收集到的能量为自供电的现场安全管理系统提供动力，支持实时运动监测、基于紫外线的水消毒和夜间照明。所采用的分流策略动态平衡了两种类型收集器的输出，以最大化能量利用。这项工作不仅展示了一个多功能自供电平台，还为可穿戴电子设备中的混合能量收集提供了一个可扩展的设计框架。

2 结果与讨论

2.1 混合动力背包的设计

传统的基于背包的能量收集器在正常行走时难以产生足够的电能输出，因此需要先进策略来提高发电性能。为了解决这一限制，开发了一种混合动力背包（图1a）。该设备在结构上分为三个功能组件：两个滑模电荷迁移摩擦电纳米发电机（SC-TENG）、一个运动变压器和四个并联排列的R-EMG。如图1b所示，SC-TENG包含两个电极层，这些电极层固定在聚氨酯（PU）泡沫上并连接到静止框架上。一个聚四氟乙烯（PTFE）滑块附着在振动单元上，在PU泡沫上滑动，通过相对运动产生交变电信号。对于EMG部分，四个线圈盘在对称排列的两个层状垂直堆叠结构中固定在静止框架上，中心装有轴承以将运动与横向杆分离。相比之下，四个磁盘直接安装在这些杆上。它们相对于静止线圈的相对运动通过电磁感应产生交流电流。混合动力背包的核心是运动变压器，由振动单元和两个传动单元组成，有效地将用户行走时重心的移动转化为垂直振动和单向旋转。这些机械激励驱动SC-TENG和R-EMG产生电能，如图1c-f所示。SC-TENG的工作机制受到摩擦电化、静电感应和电荷迁移的协同作用的影响。通过反复的摩擦，PTFE和PU表面分别积累负电荷和正电荷。由于PU泡沫的多孔性质，摩擦电荷不会局限于表面，而是根据外部场的变化在材料内部迁移。当PTFE滑块在PU泡沫上向右移动时，正电荷会向表面初步迁移，导致电极之间的轻微电荷转移（第一阶段）。当滑块完全对齐电极2时，更强的静电吸引促使更多的正电荷在界面处积累，显著增强了电极之间的电荷转移（第二阶段）。当滑块继续移动并覆盖电极1时，之前被排斥的电荷被 repelled，产生反向电流并恢复电极之间的电势平衡（第三阶段）。这个循环随着连续滑动而持续，从而在外部电路中产生稳定的交流输出。通过COMSOL Multiphysics模拟的开路条件下SC-TENG的相应电势分布如图1d所示。此外，R-EMG的线圈和磁盘排列如图1e所示，其中南北磁极的交替放置最大化了线圈中的磁通量变化。这种配置产生了陡峭的磁场梯度，当线圈经过磁极时导致磁通量密度迅速反转，从而提高了磁通量变化率并增强了输出电压。[41] 图1f展示了相关的磁标量电势分布。通过集成摩擦电和电磁能量收集机制，这种混合动力背包成为自供电现场安全管理系统（图1g）的基础，实现了实时监测人体运动、基于紫外线的饮用水消毒和夜间照明。与先前报道的背包相比，该设计的性能更为优越。值得注意的是，它可以在低至3公里/小时的步行速度下开始发电，这是克服系统静摩擦和弹簧恢复力以实现稳定输出的阈值，并且在5公里/小时的稳定速度下实现了0.18瓦/公斤的特定功率输出（图1h）。

2.2 运动变压器的可行性分析与验证

人体行走表现出明显的周期性，可以分为四个不同的阶段：初始地面接触、弯曲腿部支撑、伸直腿部以及向前摆动腿部。在整个周期中，人体重心的轨迹呈现出类似正弦波的模式，如图2a所示。为了研究垂直重心运动、步长和腿部长度之间的依赖性，开发了一个双倒立摆模型（图2b）。支持信息中的注释S1提供了推导，表明重心的垂直运动（ΔH）同时取决于腿部长度（R）和步长（L）。对于平均成年男性来说，计算表明垂直变化约为5-7厘米，这在生物力学上是合理的，并且与实证步态观察结果一致。所提出的能量收集框架中这种重心变化的机械实现如图2c所示。当重心在行走过程中上升和下降时，由拉伸和压缩弹簧组成的振动单元会以同步振动作出反应，驱动传动单元的横向杆通过齿轮齿条结构单向旋转。图2d解释了确保单向旋转的机制。两个单向离合器分别嵌入配对齿轮的中心，并且方向相同，允许顺时针旋转同时防止逆时针旋转。由于齿条的安装方向相反，齿轮在操作过程中朝相反方向旋转。当齿条向下移动时，离合器1顺时针旋转，而离合器2保持锁定。相反，当齿条向上移动时，离合器2顺时针旋转，而离合器1保持锁定。这种设计确保了横向杆无论重心向上还是向下移动都能保持单向连续旋转。图2e描述了受到重心变化引起的基本激励的运动变压器的简化模型。系统响应受到弹簧刚度、机械阻尼和横向杆惯性矩的限制。具体来说，横向杆的惯性矩决定了其对旋转状态变化的抵抗力，而机械阻尼则耗散了系统的动能。这三个因素共同决定了运动变压器在重心激励下的稳定性、响应速度和振荡幅度。实验结果显示，在2秒的时间间隔内，重心移动了ΔH=60厘米，而能量转换单元实现了ΔZ=100厘米，导致相对位移40厘米。这种位移使横向杆恰好旋转了四圈（图2f）。考虑到齿轮直径为3.2厘米，理论计算确认40厘米的位移对应于四圈旋转，这与实验测量结果完全一致。

2.3 混合动力背包的性能优化

基于运动变压器的工作模式，SC-TENG和R-EMG被设计用来捕获来自重心振动的能量。为了研究影响SC-TENG性能的参数，在实验室构建了一个实验平台，其中使用电动机来驱动PTFE滑块（图S1，支持信息）。首先考虑的因素是摩擦材料对。由于接触带电过程中产生的表面电荷密度严重依赖于表面的相对电子亲和力，因此材料的选择与设备的输出直接相关。如图3a和支持信息中的图S2所示，PTFE与PU泡沫的组合表现出更好的电荷传输效果，这证实了它们适合用于SC-TENG的构造。接下来关注PU泡沫的厚度（见图3b和支持信息中的图S3）。1毫米的厚度提供了最佳的输出，电流-电压测量显示其泄漏电流明显高于2毫米和3毫米的泡沫。这一结果表明，过厚的泡沫会阻碍电荷传输。电极配置的影响在图3c、d和支持信息中的图S4中进一步探讨。随着电极宽度和间隙的增大，传输的电荷和短路电流都会增加。具体来说，将间隙从1毫米增加到5毫米，传输的电荷从0.3微库仑增加到1.2微库仑，短路电流从4微安增加到10微安；而将电极宽度从12毫米增加到20毫米（间隙固定为5毫米）时，传输的电荷从0.2微库仑增加到1.2微库仑，短路电流从2.5微安增加到10微安。这些改进是由于较宽的间隙有效地分离了摩擦电层和相邻电极之间的静电场。当间隙太窄时，摩擦层会在相邻电极上诱导不必要的电荷，从而抑制电荷传输，这种负面效应在电极细分时更加明显（见支持信息中的图S5）。通过串联和并联连接评估了两个SC-TENG的集体行为（见图3e和支持信息中的图S6）。结果符合传统电路理论，最终选择了并联配置，因为它具有更好的输出特性。图3f展示了设备的可靠性：在连续旋转120,000次后，SC-TENG仍保持了93%的初始输出，且PU泡沫仅有轻微的表面划痕。这个耐久性测试在恶劣的环境下进行（35°C和75%的相对湿度），以严格模拟户外条件，总循环次数相当于大约60公里的步行或12小时的连续行走。

2.4 混合动力背包的性能优化
a) 不同正负摩擦材料组合的SC-TENG的传输电荷和短路电流。
b) 不同PU泡沫厚度的SC-TENG的传输电荷和短路电流。插图是不同厚度的PU泡沫的电流-电压曲线。
c, d) SC-TENG输出与电极间隙/宽度之间的关系。
e) 两个SC-TENG串联和并联连接时的输出。
f) SC-TENG的连续耐久性测试。插图是耐久性测试前后PU泡沫的SEM图像。
g) 四个R-EMG在不同连接方式下的输出。
h) SC-TENG和R-EMG在不同齿轮压力角度下的输出电流和电压。
i, j) SC-TENG和R-EMG的输出分别依赖于拉伸弹簧K1和压缩弹簧K2。
k, l) SC-TENG和R-EMG在不同负载和工作速度下的输出。所有测试都在5公里/小时的条件下进行，图3l的结果除外。除了SC-TENG组件外，混合动力背包还包括四个R-EMG。为了在受控条件下基准测试它们的电性能，另一个实验平台使用线性电机来模拟重心（CoG）的变化（见支持信息中的图S7）。基线测试显示，所有四个R-EMG显示出几乎相同的电压和电流波形（见支持信息中的图S8），验证了制造的均匀性，并确认相邻单元之间的任何磁耦合或干扰可以忽略不计。由于电连接方式直接影响整个系统的性能，因此四个R-EMG被配置成不同的接线方案（见支持信息中的图S9）。综合分析表明，并联连接（4p）在电压和电流之间提供了最有利的平衡，因此被选为集成方案。为了进一步描述耦合的摩擦电-电磁系统，构建了一个在外部激励下的背包简化模型（见支持信息中的图S10）。支持信息中的注释S2中的理论分析揭示，输出功率取决于几个参数，包括但不限于齿轮参数（N）、弹簧硬度（k）、携带的质量（m）和行走速度（v）。因此，优化这些参数对于提高能量收集效率至关重要。首先优化齿轮设计，因为传动效率取决于齿轮-齿条接口的啮合情况。实验结果表明，20度的压力角实现了最佳的啮合性能，最大化了SC-TENG和R-EMG的输出，并最小化了机械摩擦和应力集中，从而确保了传动单元的长期使用寿命（见图3h和支持信息中的图S11）。然后检查了弹簧硬度的影响，因为它控制着运动变压器的振动幅度。图3i、j以及支持信息中的图S12和S13表明，随着弹性系数的增加，SC-TENG和R-EMG的输出最初会增加，随后会减少。无论是拉伸弹簧还是压缩弹簧，最佳弹性系数都是400牛顿/米，这确保了足够的恢复力而不会有过度的阻尼。还评估了携带质量的影响，因为背包的负载会改变振动单元的向下运动和反弹。如图3k和支持信息中的图S14所示，2公斤的最佳质量产生了最佳性能。在这种条件下，SC-TENG提供2千伏的开路电压和20微安的短路电流，而R-EMG分别提供16伏和20毫安的电流。这些结果是由于在轻负载下运动不足或在重负载下弹簧过硬或弹性不足导致的反弹不完全之间的平衡。最后，分析了行走速度的影响。将模拟速度从3公里/小时增加到5公里/小时，SC-TENG的电流和电压输出分别增加了50%，而R-EMG增加了65%（见图3l和支持信息中的图S15）。这表明更快的行走速度提供了更大的机械激励，从而增强了能量生成。虽然R-EMG的输出趋势与理论预测非常吻合，但SC-TENG的输出增加幅度略低，这归因于非线性阻尼效应和在更高速度下有效摩擦电荷的饱和。

2.4 混合动力背包的应用演示
为了阐明两种能量收集器的互补输出特性，系统地在不同的外部电阻下对混合动力背包的电性能进行了表征。记录了两个SC-TENG在2兆欧姆到4吉欧姆范围内的电流和功率输出，在500兆欧姆的匹配电阻下获得了60毫瓦的峰值功率（见图4a）。同时，图4b展示了四个R-EMG在10欧姆到5千欧姆范围内的电压和功率输出，其中最大功率为0.3瓦在800欧姆时出现。在这些最佳负载条件下的相应电流和电压波形显示在支持信息中的图S16中。鉴于电子组件的典型要求，两个能量收集器的输出都经过了整流，电路图显示在支持信息中的图S17中。为了进一步验证它们的能力，一组商用电容器由SC-TENG和R-EMG充电。图4c中的充电曲线显示，SC-TENG在单位时间内分别将0.1微法、2.2微法、3.3微法、10微法和47微法电容器的电压充电到4.5伏、0.9伏、0.41伏、0.12伏和0.05伏。同样，图4d展示了R-EMG的充电行为，它们在单位时间内将0.2微法、0.76微法、0.94微法和2微法、9.4微法电容器的电压充电到4.5伏、1.6伏、1.4伏和1.0伏。为了评估其对人类运动的适应性，实验在具有不同身体特征的三个受试者身上进行（见图4e和支持信息中的视频S1）。在2公斤负载和恒定行走速度下，所有受试者都表现出稳定的电流波形，证实了混合动力背包在步态和体型变化的情况下仍能可靠运行。值得注意的是，受试者3由于重心（CoG）的较大位移而实现了最高的输出。系统的功能集成总结在图4f中。在人类行走过程中，重心的振动产生了机械能，可以由设计的动力背包收集。鉴于两种发电机之间的显著阻抗不匹配，采用了分流策略，而不是使用笨重的匹配变压器。R-EMG提供适合为可穿戴设备（如运动手环）供电的高电流，而SC-TENG的高电压输出支持包括便携式水消毒和户外照明在内的应用。这种策略有效地减少了耦合损失，并最大化了整体能源利用效率。通过日常使用，背包因此展示了一个自供电的现场安全管理系统（见图4g和支持信息中的视频S2）。具体来说，SC-TENG提供了足够的电压来驱动500个串联连接的绿色LED（插图I）或激活基于紫外线的消毒模块（插图II）。同时，R-EMG持续为运动手环充电，如在插图III中验证的。图4h展示了为手环供电的2.2微法电容器的动态充电曲线，其中2.2微法电容器充电到5伏以启动设备，使设备能够连续运行83秒。

3 结论
总之，设计了一种集成了摩擦电-电磁发电机制的混合动力背包，能够高效地从人类运动中收集能量。结构设计采用了基于拉伸-压缩弹簧的振动单元以及齿轮-齿条辅助的传动单元，使得两个SC-TENG和四个R-EMG能够同时工作。通过优化关键参数，包括摩擦材料配对、电极配置、连接拓扑、弹簧硬度和齿轮压力角，系统实现了3公里/小时的低激活阈值和0.18瓦/千克的高比功率输出。收集的能量被有效利用来驱动一个自供电系统，该系统能够实时监测运动、基于紫外线的水质净化和夜间照明。一个关键优势在于分流策略，它充分利用了SC-TENG和R-EMG的互补输出。这不仅确保了能源利用效率的最大化，还为多种并发功能提供了可靠的支持，解决了实际场景中平衡不同能源需求的挑战。此外，制造依赖于激光切割和现成组件等工业技术，确保了高可扩展性和成本性能比，适用于商业部署。尽管如此，仍有进一步改进的空间。例如，R-EMG在同一侧紧密放置可能会引起磁场相互作用，从而降低效率，而改进摩擦电荷生成或最小化摩擦损失的策略可以进一步提高能量转换效率。总体而言，这种混合背包代表了可穿戴能量收集技术的重大进步，并为实际应用中的多功能自供电系统设计提供了一个可扩展的框架。

4 实验部分
SC-TENG的制造
在CorelDRAW中设计的互指电极图案被激光刻蚀到铝箔（90毫米×245毫米）上。然后使用双面聚酰亚胺（PI）薄膜将PU泡沫粘合到铝电极上，将此组件固定在丙烯酸基底上，形成SC-TENG的定子。最后，在另一个丙烯酸板（90毫米×120毫米）上贴上单面粘合PTFE薄膜，以制造滑块组件。

R-EMG的制造
R-EMG由两个主要部分组成：线圈盘和磁盘。直径为0.08毫米的铜线缠绕成直径30毫米、高度5毫米的线圈。四个线圈对称地安装在盘子的顶部、底部、左侧和右侧象限位置。尺寸相同的N52级钕铁硼磁铁（φ30毫米×5毫米）与线圈精确对齐。至关重要的是，相邻磁铁的北极和南极方向相反。

混合动力背包的制造
混合动力背包的长度为240毫米，宽度为130毫米，高度为400毫米。前后固定板均由4毫米厚的丙烯酸板制成。两根垂直杆（长度为400毫米）穿透了一个90毫米×200毫米的滑块，并穿过两个压缩弹簧。滑块的上端连接着两个拉伸弹簧，共同构成了振动单元。四个单向离合器在相对的支架之间的横杆上以相同的方向安装，并与齿轮集成形成了传动单元。振动单元和传动单元被固定在一起，构成了运动转换器，将前后固定板机械连接起来。此外，在振动单元和后固定板之间安装了两个SC-TENG（Scanning Capacitive Electromechanical Generator），同时在两个横杆的末端安装了四个R-EMG（Resistive-Electromyogram）传感器。整个组装好的设备的总净重量为2.0千克，其中亚克力框架及相关结构约占1.2千克，四个R-EMG模块占0.65千克，SC-TENG占0.15千克。

电气测量与特性分析：
采用了COMSOL Multiphysics软件来模拟电场和磁场的分布。为了模拟人类行走的动作，使用了一个线性电机（SL40E150-10c7）来驱动SC-TENG的定子。使用了一个可编程电表（Keithley 6514）来测量SC-TENG和R-EMG的输出性能。数据通过NI采集卡（USB-6346）收集，并使用基于LabVIEW的控制系统进行实时监测。由于SC-TENG的开路电压非常高，超出了仪器的测量范围，因此采用了一个由1 GΩ和1 MΩ电阻组成的分压电路来实现精确的电压测量（见图S18，支持信息）。使用高压放大器（ATA-7050）和函数/任意波形发生器（UTG2025A）来测量I-V曲线。PU泡沫的表面特性通过场发射扫描电子显微镜（Hitachi Regulus-8220）进行了分析。

致谢：
陈杰和毕桥对这项工作贡献了同等的力量。该工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号52572204、52302219）、重庆市青年创新人才计划（CSTB2025YITP-QCRCX0094）、重庆市教委科技研究计划（KJZD-K202500505）、重庆市自然科学基金（CSTB2025NSCQ-GPX1032）以及重庆市大学生创新创业培训计划（S202410637035）的财政支持。

利益冲突声明：
作者声明没有利益冲突。