新加坡国立大学Chengkuo Lee团队EcoMat：摩擦纳米发电机发展现状

研究背景

摩擦纳米发电机（TENG）技术在机械、电学、光学、声学、流体学等方面是能量收集和纳米能源与纳米系统（NENS）的一个很有前景的研究领域。新加坡国立大学Chengkuo Lee团队在EcoMat发表了题为“Progress in TENG technology—A journey from energy harvesting to nanoenergy and nanosystem”的综述性文章，系统地报告了TENG技术在能量提升、新兴材料、自供电传感器、NENS及其与其他潜在技术的进一步集成方面的进展。从包括电荷产生和能量提升方式的TENG机制开始，作者介绍了从能量收集器到各种自供电传感器的应用，即物理传感器、化学/气体传感器。随后，讨论了NENS的进一步应用，例如蓝色能量、人机界面 (HMI)、神经接口/植入器件和光学接口/可穿戴光子学。转向TENG之外的新研究方向，作者描述了混合能量收集技术、介电弹性体增强、自我修复、形状自适应能力以及自我维持的NENS和/或物联网 (IoT)。最后，讨论了 TENG 技术未来向多功能和智能系统发展趋势的展望和结论。

内容详情

FIGURE 1 The TENG technology evolution milestones—a journey from energy harvesting to nanoenergy and nanosystems (NENS)

FIGURE 2 Mechanisms in materials/structure/circuit based energy-boosting

FIGURE 3 Self-powered physical sensors

FIGURE 4 Self-powered physical sensors with advanced electrode designs

FIGURE 5 Wearable self-powered gas and chemical sensors

FIGURE 6 TENG for blue energy applications

FIGURE 7 Wearable TENG for HMI applications

FIGURE 8 TENG for neural interfaces and implantable devices

FIGURE 9 TENG for optical applications

FIGURE 10 Hybrid generators by TENG and EMG

FIGURE 11 TENG and PENG hybrid energy harvesting

FIGURE 12 Dielectric-elastomer-enhanced TENG

FIGURE 13 New research direction: materials induced new functionalities and performance enhancement for TENG

FIGURE 14 New research direction: self-sustained NENS and/or IoT sensor nodes

结论与展望

随着智能系统中能量收集的蓬勃发展，本文从能量收集到NENS的发展角度回顾了TENG的技术路线。为提高能量收集效率，表面微/纳米结构并非增加有效接触表面积的唯一解决方案，其他如使用复合材料、外部电路系统，甚至机械结构设计同样有助于提高能量收集效率。由于其设计简单新颖、工作机制简单、重量轻、体积紧凑等特点，TENG 有可能与各种电子设备结合使用，特别适用于即将到来的5G和物联网在自供电传感器方面的需求。为提高TENG收集能量的效率，已报道了很多可行的方法（如复合材料、外部“电荷泵”和电路系统）。此外，还研究了直流输出产生的新机制，以直接为电子设备供电。同时，开发了大量自供电物理传感器，包括压力/力传感器、触觉传感器、应变和弯曲传感器、加速度和旋转传感器等，用于触觉、传感机器人、人机界面和医疗保健监测。为了实现多功能性，也可以借助摩擦电材料和结构设计，将先进的电极设计结合到传统的TENG中，从而形成面向应用的TENG，以实时和原位传感的形式独立运行。

蓝色能源是NENS最重要的应用方向之一，主要以波浪能、潮汐能和渗透能等形式存在。在可穿戴电子设备和人机界面方面，TENG展示了在数字世界中实现高级操控的潜在能力。同时，采用TENG技术的神经接口/可植入设备为自持续的神经调节、肌肉刺激、传感、治疗和为其他医疗设备供电打开了大门，从而减少了对电池的依赖并延长了设备的使用寿命。此外，TENG还增强了一系列光学功能，包括发光、光电检测和光调制，以实现自供电发光、智能显示、无线通信、个人隐私保护和运动监控等应用。除了用作能量收集器和自供电传感器外，TENG 技术还推动了混合能量收集技术的研究方向，例如与EM和/或压电机制的集成，提供了一种具有高转换效率、低成本、与5G 中物联网传感器节点兼容的有前景的能源解决方案。另一个新的研究方向是通过探索具有形状记忆能力、自愈能力、形状自适应能力和拉伸性的新型材料，赋予TENG新的功能。得益于上述功能，TENG显示出结构简单多样、柔韧性/拉伸性、形状记忆能力、自愈能力、形状适应能力、高输出性能、无材料限制、成本效益和良好的可扩展性。最后，TENG 技术的蓬勃发展促进了各种基于TENG和TENG集成的全新研究领域的出现，如能量收集、自供电传感/驱动和智能NENS（能源采集模块、电源管理模块、信号处理模块、显示和交互模块），具有多功能性和自持续性，适用于个性化医疗监护和治疗、身份识别、智能家居/楼宇、VR/AR场景智能交互等应用领域。

文章信息

Jianxiong Zhu, Minglu Zhu, Qiongfeng Shi, Feng Wen, Long Liu, Bowei Dong, Ahmed Haroun, Yanqin Yang, Philippe Vachon, Xinge Guo, Tianyiyi He, Chengkuo Lee,* Progress in TENG technology—A journey from energy harvesting to nanoenergy and nanosystem, EcoMat. 2020; 2:e12058.

原文链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12058