新型摩擦电纳米发电机：灵感来源于中华传统剪纸！

导读

可穿戴设备和传感器在使用时，往往需要反复充电，这一直是影响用户体验的重要瓶颈。然而，最近科学家们受到中华民族传统的剪纸艺术启发，创造出了一种新型的超轻、菱形剪纸式样的「摩擦静电的纳米发电机」，它可以利用人体运动的能量，让电子设备实现供电。

技术关键字

摩擦电纳米发电机

triboelectric nanogenerator

创新背景

近些年，便携式移动电子设备，例如智能手机、平板电脑、可穿戴设备等，不但价格越来越便宜、功能越来越强大、创新点也越多越多。

但是，正如正如我们以前所讨论，这些设备有着一个共同的软肋：

它们需要反复插入插座进行充电。

对于这一点，John 之前介绍过很多创新相关的探索，例如：

（1）新型的温差发电材料，可以利用人体的热量，给智能穿戴设备供电；

（2）一种柔性纳米设备，利用人体运动给电子设备供电；

（3）金手指智能手套，从手指运动中获取能量；

（4）Braidio技术，在无线设备间分享电能，延长电池续航时间；

（5）新型纺织品，利用太阳能和风能为可穿戴电子产品供电等等。

（图片来源于：乔治亚理工学院）

这一些列的创新，为我们勾画出了未来移动电子设备的新型供电方式的蓝图，它将朝着自供电、新能源、清洁环保的方向发展。

创新探索

然而，今天要介绍的这项创新，也是一种利用人体自身运动能量，对移动电子设备进行供电的方式。

据《美国化学学会纳米》杂志报道，来自中国科学院、重庆大学、美国佐治亚理工学院、台湾科技大学等科研机构科研人员组成的团队，包括 Zhong Lin Wang, Chenguo Hu 等人，在中华民族传统的剪纸艺术启发下，开发出了一种轻量的、剪纸式样的装置，能采集来自人体运动的能量。

（图片来源于：美国化学会）

核心技术

对于便携式电子设备，特别是可穿戴电子设备，例如手表、听诊器、心率监测器来说，它们的功耗往往很小，而原先这些设备都是依靠锂电池来重复充电使用。但是，科研人员想到了从用户的身体运动中获取能量，他们为了这个方案付出了好几年的辛勤劳动。

他们的技术核心是：一种摩擦静电的纳米发电机（TENGs），它能够从我们四周的机械能中吸收能量，这些机械能包括脚步，然后再用它去给便携式电子设备充电。

擦起电现象，是一种历史悠久的现象，而且几乎随时随地可以进行。而基于摩擦起电效应和静电感应相结合的TENG，能够用来将机械能转化为电能。

TENG是一种能量产生器，其内部的电路中，由于摩擦电效应，两个摩擦电极性不同的材料薄层之间，会发生电荷转移，而使得二者之间形成电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下，在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。

但是，大多数的TENG装置还是面临一些技术瓶颈：

需要几个小时才能给小型的电子设备例如传感器充满电，并且由亚克力制成，十分笨重。

现在，研究人员设计出了一种新型超轻、菱形剪纸式样的TENG设备：

（图片来源于：美国化学会）

它只有几英寸长，并且覆以不同的材料，形成一个供电装置。外部的四个侧面，由黄金和石墨镀膜的沙纸构成，组成设备的超级电容；内部的表面，由纸张和涂有黄金以及氟化乙烯丙烯薄膜，组成TENG能量采集器。

按压和释放该设备超过几分钟，就可以将设备充电到1伏，这足以给远程控制的温度传感器或者智能手表供电。

应用价值

该设备有望作为新能源技术的自供电系统，应用于未来的可穿戴设备、传感器、智能电子设备的供电。

未来展望

这项技术的未来观察点在于：制造成本、大规模量产、实际应用案例、商业化。

我们衷心期待不久的未来，这项技术可以取得更多的进展。

参考资料

【1】http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b00866

【2】https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2017/april/art-of-paper-cutting-inspires-self-charging-paper-device.html

【3】http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10611-1014042834.htm

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