非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)的最新研究進(jìn)展

付曉飛，王斌斌，張正健，高萌，劉陽，陳蘊(yùn)智

非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)的最新研究進(jìn)展

付曉飛，王斌斌，張正健，高萌，劉陽，陳蘊(yùn)智

（天津科技大學(xué)，天津 300457）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)可持續(xù)能源的需求不斷增加。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）利用各類微弱機(jī)械能實(shí)現(xiàn)自供電，有利于緩解這一需求。非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)（NC?TENG）可以提高穩(wěn)定性和使用壽命?？偨Y(jié)NC?TENG的最新研究進(jìn)展，為NC?TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化提供有益參考。根據(jù)NC?TENG的器件結(jié)構(gòu)與輸出性能優(yōu)化方法，介紹不同NC?TENG及其性能，重點(diǎn)綜述其在智能包裝領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)未來的性能優(yōu)化和應(yīng)用工作進(jìn)行展望?；诓煌慕M裝結(jié)構(gòu)，通過介電常數(shù)調(diào)制、添加電荷捕獲中間層等性能優(yōu)化方案可以有效地避免靜電放電問題，提高NC?TENG的電荷保留率。NC?TENG相較于TENG，有著更高的穩(wěn)定性和更長的使用壽命，在應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和推動(dòng)新興電子產(chǎn)品方面顯示出巨大的潛力，預(yù)計(jì)在智能包裝領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)；非接觸；穩(wěn)定性

隨著人類文明的不斷進(jìn)步，能源供應(yīng)面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，人類對(duì)化石能源的巨大消耗，導(dǎo)致能源枯竭和全球升溫。另一方面，快速發(fā)展的電學(xué)器件迫切需要新的電源技術(shù)來克服傳統(tǒng)電源的缺點(diǎn)，例如壽命有限、操作更換頻繁和安全隱患等[1]。摩擦電納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，TENG）是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的新型技術(shù)，在應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境危機(jī)，推動(dòng)新興電子產(chǎn)品方面顯示出巨大的潛力[2]。TENG具有制造工藝簡單、成本低、工作方式多樣、組成材料和結(jié)構(gòu)選擇豐富、低頻范圍內(nèi)能量轉(zhuǎn)換效率高等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。由于接觸式TENG在工作過程中會(huì)受到頻繁、直接和長期的機(jī)械沖擊，從而導(dǎo)致材料和設(shè)備故障，并產(chǎn)生一系列問題，如輸出性能下降、壽命損失等。目前解決該問題已有多項(xiàng)措施：優(yōu)化TENG的電極材料，可以有效提高輸出性能，如通過將額外的氫鍵引入聚二甲基硅氧烷中，合成新的動(dòng)態(tài)金屬，它是在室溫下具有超高拉伸性和顯著自修復(fù)性能的彈性體[3]；使用一些優(yōu)秀、堅(jiān)韌的材料可在一定程度上延長其使用壽命，如采用聚酰亞胺和鈦酸銅鈣雜化修改后的微納米復(fù)合材料作為TENG的電極材料[4]，但此方法對(duì)于延長使用壽命的程度有限；開發(fā)新的結(jié)構(gòu)，可以有效延長材料的使用壽命，如基于氟碳液體注入多孔表面的固體?固體/液體?固體結(jié)構(gòu)[5]，基于納米微結(jié)構(gòu)聚四氟乙烯（PTFE）薄膜來增加接觸面積的滾動(dòng)結(jié)構(gòu)[6]等。除此之外，還有多種方法（如摩擦層的優(yōu)化、軟接觸等）都可很好地解決上述問題。

雖然上述技術(shù)在一定程度上改善了接觸式TENG的性能，但是未能從根本上解決接觸摩擦所產(chǎn)生的負(fù)面影響，如何提高TENG的穩(wěn)定性和耐用性是目前迫切需要解決的一個(gè)重要問題。由此，人們開發(fā)出一種新型非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)（Noncontact TENG，簡稱NC?TENG）。在實(shí)際應(yīng)用中，摩擦層可能通過摩擦電材料之間的初始接觸或與自然環(huán)境中物體的摩擦預(yù)先充電[7]。這些靜電電荷能夠在摩擦層表面停留數(shù)小時(shí)，即使摩擦電材料未直接接觸，每個(gè)帶電的摩擦層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)引起外部電路上的電荷流動(dòng)，因此形成了NC?TENG，如滑動(dòng)式非接觸感應(yīng)納米發(fā)電機(jī)[8]。在過去幾年中，從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用擴(kuò)展的各個(gè)方面都取得了一系列進(jìn)展。人們利用非接觸模式的概念已經(jīng)制作了多種功能器件，并在智能包裝方面顯示出良好的應(yīng)用潛力。在此，將主要介紹NC?TENG的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，總結(jié)近年來報(bào)道的NC?TENG的構(gòu)建、性能提升方法，展示NC?TENG的相關(guān)應(yīng)用案例（如圖1所示），為NC?TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化提供有益參考，并對(duì)NC?TENG的未來發(fā)展做出展望。研究表明，NC?TENG在智能包裝領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 NC?TENG的最新研究進(jìn)展

1 NC?TENG

1.1 NC?TENG的工作原理

一般來說，TENG有4種基本的操作模式，包括垂直接觸分離模式、橫向滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立的摩擦層模式，這是各種NC?TENG原型的基礎(chǔ)[9-10]。NC?TENG的運(yùn)行原理是靜電感應(yīng)。摩擦層通過摩擦電材料之間的初始接觸或與自然環(huán)境中物體的摩擦預(yù)先充電，由于2個(gè)摩擦電材料未直接接觸，處于孤立狀態(tài)，這些靜電電荷能夠在摩擦層表面停留數(shù)小時(shí)。預(yù)存儲(chǔ)的等量正負(fù)電荷分別儲(chǔ)存在摩擦層材料表面，當(dāng)兩表面發(fā)生位移時(shí)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。當(dāng)電極（負(fù)載）組成外電路時(shí)，外電路的電子便會(huì)移動(dòng)，以平衡電勢(shì)差，產(chǎn)生電流，因此形成了NC?TENG。位移變化通常由機(jī)械力驅(qū)動(dòng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其工作模式如圖2所示。

圖2 NC?TENG的工作模式

1.2 NC?TENG的結(jié)構(gòu)

對(duì)于長期連續(xù)工作的終端設(shè)備，摩擦層界面的頻繁機(jī)械摩擦造成設(shè)備出現(xiàn)故障,使得其電輸出性能大大下降。利用非接觸概念設(shè)計(jì)的NC?TENG能夠有效降低TENG的機(jī)械磨損，從而提高TENG的耐久性。近幾年報(bào)道的扇形結(jié)構(gòu)和擺鐘結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，均顯示出更為優(yōu)異的堅(jiān)固耐用性。

1.2.1 扇形結(jié)構(gòu)

Lin等[11]首先報(bào)道了非接觸式自由旋轉(zhuǎn)圓盤摩擦電納米發(fā)電機(jī)（FRD?TENG），將2個(gè)具有互補(bǔ)四段形狀的分離鋁箔（直徑為10.16 cm）作為2個(gè)固定電極，將1塊具有相同四段結(jié)構(gòu)的氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）薄膜作為可旋轉(zhuǎn)的摩擦層。首先將FEP層與1層鋁箔接觸，進(jìn)行基于摩擦起電的電荷轉(zhuǎn)移。隨著FEP與鋁箔的垂直分離（間隙為0.5 mm），以及隨后的非接觸相對(duì)旋轉(zhuǎn)，保存在介質(zhì)FEP表面的摩擦電荷將誘導(dǎo)2個(gè)分離鋁電極之間的電子流動(dòng)，使得電勢(shì)差發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生靜電感應(yīng)，如圖3a所示。測(cè)量結(jié)果表明，在500 r/min條件下，開路電壓可達(dá)到220 V?；诖诵D(zhuǎn)圓盤非接觸結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，有學(xué)者提出了一種基于自動(dòng)模式開關(guān)（低速接觸模式和高速非接觸模式）的旋轉(zhuǎn)TENG（CEMA? TENG）[12]，CEMA?TENG在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的工作原理如圖3b所示。這樣不僅產(chǎn)生了較高的電輸出，而且顯示出良好的耐用性，其結(jié)構(gòu)如圖3c所示，包括3個(gè)部分：定子、旋轉(zhuǎn)器和離心驅(qū)動(dòng)層。由于存在離心驅(qū)動(dòng)層，定子和旋轉(zhuǎn)器可以在低速時(shí)接觸，因此在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)分離。在高速旋轉(zhuǎn)過程中，由于向心力的作用，定子與旋轉(zhuǎn)器的摩擦層分離，電流僅通過靜電感應(yīng)產(chǎn)生。作為一種常見的旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)型TENG，將鋁箔附著在定子上作為輸出電極，將覆蓋的FEP薄膜作為摩擦層。對(duì)于旋轉(zhuǎn)器，使用柔性聚氨酯（PU）薄膜作為緩沖層，將尼龍薄膜黏附在PU表面，作為獨(dú)立的摩擦層。經(jīng)測(cè)試，高性能旋轉(zhuǎn)TENG可以點(diǎn)亮944個(gè)綠色LED燈，且在連續(xù)工作72 000次循環(huán)后，電輸出的衰減僅為6%。Li Qian-ying[13]提出了一種具有超穩(wěn)定性高電壓輸出的聚酯皮毛增強(qiáng)扇形旋轉(zhuǎn)摩擦電納米發(fā)電機(jī)（PFR?TENG），通過引入軟聚酯毛皮層形成部分軟接觸和非接觸。如圖3d所示，將聚四氟乙烯薄膜和尼龍薄膜作為PFR?TENG轉(zhuǎn)子上的介電層，將軟聚酯毛皮作為定子上電極之間的三元介電層，它起到電荷泵的作用，從而實(shí)現(xiàn)高壓的輸出。

圖3 非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)的扇形結(jié)構(gòu)

1.2.2 擺鐘結(jié)構(gòu)

基于擺鐘的靈感，Lin Zhi-ming[14]通過引入非接觸模式下的彈簧結(jié)構(gòu)和間歇性補(bǔ)充表面電荷的方法來提高TENG的耐久性和壽命，但是其電學(xué)輸出較低。于是，Lin等[15]提出了一種軟接觸輔助的NC?TENG，提高了NC?TENG的堅(jiān)固性、耐久性和輸出效率，應(yīng)用假設(shè)場景如圖4a所示。NC?TENG采用彈簧輔助的擺狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了頻率的倍增，在設(shè)計(jì)中應(yīng)用柔性介電絨毛在摩擦層之間存在的氣隙，形成了部分非接觸（如圖4b—e所示），可以有效地減少材料的磨損，有助于實(shí)現(xiàn)出色的輸出性能，其原理如圖4f所示。然后，系統(tǒng)研究了NC?TENG在高頻輸出、電荷輸出、耐久性和能量轉(zhuǎn)換效率等方面的輸出特性，證明一次振動(dòng)能量與電能的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)29.7%。

1.2.3 磁輔助結(jié)構(gòu)

上述NC?TENG的研究重點(diǎn)是避免和減少2種摩擦電材料之間的物理接觸，以緩解設(shè)備的磨損。同樣，也可通過避免外部機(jī)械力對(duì)NC?TENG的直接影響，來增強(qiáng)器件的堅(jiān)固性。例如，Huang等[16]研究了一種通過在器件表面覆蓋1層磁響應(yīng)聚合物復(fù)合層的磁輔助NC?TENG，器件中的Al和聚二甲基硅氧烷（PDMS）摩擦電材料可以與外部磁體形成一個(gè)穩(wěn)定的電磁場，然后通過外部磁體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制發(fā)電，見圖5a。這種設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)TENG器件與外部機(jī)械刺激之間的直接接觸，從而延緩了器件的退化，減少了故障。同時(shí)，這種磁輔助NC?TENG可以遠(yuǎn)程控制摩擦電材料之間的接觸分離，將一些復(fù)雜而隨機(jī)的外部機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，有利于提高NC?TENG的穩(wěn)定性、可控性，使該裝置適合于以隨機(jī)的速度、頻率和振幅收集自然風(fēng)能和水能。Huang Long-biao[17]證明了基于磁輔助NC?TENG的風(fēng)能和藍(lán)色能量收集新策略的可行性（圖5b），系統(tǒng)地研究了相關(guān)參數(shù)（接觸分離頻率、風(fēng)速和濕度等）對(duì)NC?TENG性能的影響。結(jié)果表明，磁輔助非接觸式TENG在風(fēng)能和藍(lán)色能量收集應(yīng)用中具有較大的潛力。此外，Ren Xiao-hu[18]報(bào)道了一種類似的磁力驅(qū)動(dòng)非接觸混合電磁摩擦電納米發(fā)電機(jī)，使用了嵌入的四氧化三鐵納米顆粒作為磁響應(yīng)層，如圖5c所示。利用摩擦材料的磁響應(yīng)特性，采用磁鐵作為觸發(fā)器，采用非接觸驅(qū)動(dòng)接觸分離模式TENG，通過將磁鐵與銅線圈耦合以同時(shí)驅(qū)動(dòng)電磁發(fā)電機(jī)?；旌霞{米發(fā)電機(jī)在輸出性能和充電性能方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，因此可以用于儲(chǔ)能設(shè)備的充電，并可持續(xù)地為某些便攜式電子設(shè)備供電。

圖4 NC?TENG的應(yīng)用假設(shè)場景、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理[15]

2 NC?TENG性能優(yōu)化方案

雖然NC?TENG有效地避免了2種材料間的物理摩擦，在一定程度上提高了TENG的穩(wěn)定性和耐久性，但是仍然面臨一個(gè)基本的問題：保留在介質(zhì)摩擦層表面的電荷會(huì)因粗糙表面存在的靜電放電（ESD）逐漸衰減，導(dǎo)致電輸出下降。這意味著非接觸模式裝置的運(yùn)行必須頻繁中斷，以補(bǔ)充表面電荷，這樣限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了提高NC?TENG的電荷保留率，人們采用了介電常數(shù)調(diào)制、添加電荷捕獲中間層等技術(shù)。

2.1 介電常數(shù)調(diào)制

非接觸式操作試驗(yàn)裝置存在靜電放電的關(guān)鍵問題，可采用具有高介電常數(shù)的材料增強(qiáng)表面電荷。Tu等[19]證明使用二維MXene納米片作為填料的PVDF基滲透復(fù)合材料具有顯著增強(qiáng)的介電常數(shù)，MXene納米片采用分層蝕刻的工藝，與聚（偏氟乙烯?三氟乙烯?氯氟乙烯）（P(VDF?TrFE?CFE)）復(fù)合后制成的電容器器件在外部電場作用下存在極化電荷，示意圖如6a所示。介電常數(shù)增強(qiáng)的原因主要是MXene填料和聚合物基體界面上電荷積累所形成的微觀偶極子。如果聚合物鏈插在MXene薄片之間，則在聚合物主鏈上的MXene表面原子（F，O）與H之間可能形成偶極子。嵌入2DTi3C2T納米片的（P（VDF? TrFE?CFE））聚合物的介電常數(shù)高達(dá)105F/m。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%的MXene負(fù)載下，MXene/P（VDF? TrFE?CFE）復(fù)合材料的介電損耗僅增加約5倍，而在相同的組成范圍內(nèi)，介電常數(shù)增加了25倍。此外，MXene?聚合物復(fù)合材料的介電常數(shù)與損耗因子之比優(yōu)于之前?；诖吮尘埃琇ee J W等[20]報(bào)道了鈦酸銅鈣（CCTO）作為一種高介電材料用于抑制非ESD的無機(jī)械變形功率損失的超薄NC?TENG，其原理如圖6b所示。在該研究中，采用高介電常數(shù)鈦酸銅鈣為絕緣材料，將15、16 1H、1H、2H、2H?全氟辛基三氯硅烷（FOTS）以具有末端官能團(tuán)的自組裝單分子層膜（SAMs）的形式涂在其表面，增強(qiáng)了表面電荷。為了解決ESD問題，又采用在云母襯底上涂布原子尺度的超薄石墨烯作為電極CCTO薄膜層的表面電荷注入層，最后在注入CCTO表面電荷的方向?qū)OTS進(jìn)行涂層處理，以增加電荷輸出。結(jié)果表明，超薄NC?TENG的電壓和電流輸出分別為15.1 V和420 nA，優(yōu)于之前基于2D材料的測(cè)試結(jié)果。由于CCTO是一種具有巨大介電常數(shù)的材料，可以長時(shí)間保持電荷，因此具有長時(shí)間使用也能穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。電荷保持率是NC?TENG是否有效的關(guān)鍵參數(shù)，在已報(bào)道的研究中，電荷保留能力仍然有很大的提升空間。Kim H S等[21]提出一種由氧化銦錫（ITO）電極、聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體和聚（偏氟乙烯）（PVDF）聚合物組成的鐵電聚合物包埋TENG（FE?TENG），可以顯著提高NC?TENG的耐久性。PVDF的高介電常數(shù)和鐵電極化分別對(duì)PDMS的表面電位和FE?TENG的電容進(jìn)行了一定程度的調(diào)制。PVDF在非接觸過程中導(dǎo)致大量的摩擦電荷停留在PDMS中，ITO只需在PDMS上方進(jìn)行上下移動(dòng)（移動(dòng)距離為），且不進(jìn)行接觸就可以為發(fā)光二極管（LED）和液晶顯示器（LCD）供電。連續(xù)接觸和非接觸時(shí)開路電壓的演變及分離距離的定義如圖6c所示。

圖5 磁輔助式NC?TENG的工作原理

2.2 添加電荷捕獲中間層

采用電荷捕獲中間層，是提高NC?TENG電荷保留率的一種簡便的方法，具有制造工藝簡單、成本效益高等特點(diǎn)。Rana等[22]使用金屬有機(jī)框架基鈷納米孔碳（Co?NPC）/Ecoflex和MXene/EcoflEx納米復(fù)合層，以人體皮膚為自動(dòng)力傳感器的材料，設(shè)計(jì)了一種超柔性、高性能的非接觸雙層TENG（CDL? TENG），其制備方法和原理如圖7a所示。Co?NPC的多孔結(jié)構(gòu)為納米復(fù)合材料提供了高表面積，MXene/Ecoflex納米復(fù)合材料的電荷存儲(chǔ)層積累了更多的負(fù)電荷，使CDL?TENG的電流和電壓輸出分別提高了2倍和3倍。與單獨(dú)使用Ecoflex薄膜的TENGs相比，CDL?TENG的電荷衰減速率減慢了80%，并且能夠成功監(jiān)測(cè)距離為2～20 cm的物體位置。Shrestha等[23]提出了一種基于硅氧烯/Ecoflex+ MoS2/LIS納米復(fù)合材料的NC?TENG（圖7b），在Ecoflex聚合物基體中加入硅氧烯。由于硅氧烯/ Ecoflex具有較強(qiáng)的強(qiáng)電子親和性，可誘導(dǎo)表面電荷的生成，從而導(dǎo)致聚合物基體內(nèi)形成微電容和微觀偶極子，提高了聚合物的介電性能和電極性。由于電荷保留是實(shí)現(xiàn)NC?TENG最重要的特性，因此將二硫化鉬加入激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）作為電荷捕獲層，以防出現(xiàn)電荷衰減。此外，二硫化鉬（MoS2）和LIG之間的協(xié)同效應(yīng)有助于改善層間的介電性能和極性[24]，有助于提高NC?TENG的輸出性能。綜上可知，多孔材料和親電子材料可作為捕獲電荷中間層，它能夠有效提高NC?TENG的電荷密度和輸出性能。

圖6 調(diào)制介電常數(shù)的方法

圖7 添加電荷捕獲中間層的方法

2.3 構(gòu)筑表面微結(jié)構(gòu)

球形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種具有高比表面積和良好化學(xué)穩(wěn)定性的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，它為NC?TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了全新的思路。Zhang等[25]通過調(diào)節(jié)靜電自旋射流的變形，設(shè)計(jì)了具有高表面電荷密度的球體多物理網(wǎng)絡(luò)PVDF@Ti3C2T復(fù)合膜。射流在拉伸過程中會(huì)發(fā)生變形，在水分的影響下產(chǎn)生了“微圖形”效應(yīng)，形成了球形多物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成過程如圖8所示。球形多物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與Ti3C2T的協(xié)同效應(yīng)賦予了摩擦電材料高輸出性能和高輸出穩(wěn)定性。由復(fù)合薄膜組裝的自供電非接觸式傳感器，顯示出優(yōu)異的速度靈敏度。此設(shè)計(jì)還可以準(zhǔn)確地識(shí)別70 cm范圍內(nèi)的跑步（55 mV）、跳躍（105 mV）和行走（40 mV）等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。基于上述特點(diǎn)，該具有球形多物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，為高性能摩擦電材料的開發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，顯示出巨大的潛力和前景。

3 NC?TENG的應(yīng)用

3.1 自動(dòng)力位置監(jiān)測(cè)

NC?TENG具有更高的穩(wěn)定性和耐用性，不僅可以作為微/納米電源，還可通過檢測(cè)周圍環(huán)境和物體的實(shí)時(shí)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)力位置監(jiān)測(cè)，因此對(duì)周圍環(huán)境具有“識(shí)別”和“判斷”的功能，在智能包裝方面具有良好的應(yīng)用潛力。

Yuan Fang[26]基于靜電感應(yīng)和摩擦電效應(yīng)，開發(fā)了一種具有監(jiān)測(cè)物體位置信息功能的新型NC? TENG。NC?TENG以非接觸的方式感知周圍物體的位置，自供電檢測(cè)移動(dòng)物體的距離和移動(dòng)速度，其結(jié)構(gòu)如圖9a所示?；贜C?TENG的陣列可以應(yīng)用于手桿、電梯按鈕等方面。Xi Yin-hu[27]創(chuàng)造性地提出了一種自供電的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)NC?TENG，不僅可以自動(dòng)檢測(cè)移動(dòng)物體的距離和移動(dòng)速度，還能在不需要提供任何額外放大電路的情況下直接、清晰地反映行走步態(tài)周期（升降腿）、移動(dòng)方向、行走速度、跑步速度和移動(dòng)路徑，如圖9b所示。這2種位置識(shí)別NC?TENG都只能在實(shí)驗(yàn)條件下單獨(dú)對(duì)周圍物體的某一位置和動(dòng)作做出反饋，不能將其成熟地運(yùn)用于日常生活。

基于上述情況，人們又開發(fā)出能夠靈活運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)生活的NC?TENG基位置識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成本低、實(shí)時(shí)監(jiān)控、易于裝配等優(yōu)點(diǎn)。Guo等[28]報(bào)道了一個(gè)較為成熟的非接觸式自動(dòng)力定位和運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，位置系統(tǒng)的檢測(cè)過程如圖9c所示。在該非接觸式自動(dòng)力定位和運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，可以通過將單位密度轉(zhuǎn)換為像素模式，直觀定義物體的大小，甚至形態(tài)。與以往不同，該裝置在高度0.01～0.11 m內(nèi)也能響應(yīng)一個(gè)小動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了高靈敏自供電傳感。Anaya D V[29]提出了一個(gè)可以在不使用可穿戴設(shè)備的情況下區(qū)分人類復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的位置監(jiān)測(cè)平臺(tái)，如圖9d所示。利用鞋子與地板之間的摩擦電相互作用采集電荷，成功監(jiān)測(cè)到人體在二維平面內(nèi)的位置、速度、頻率和方向，還能成功識(shí)別行走、跑步或跳躍等不同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)距離為1.5 m內(nèi)人體位置的近場遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，未來在醫(yī)院老年人活動(dòng)跟蹤和人員計(jì)數(shù)方面具有較大的潛在應(yīng)用。

圖8 球面多物理網(wǎng)絡(luò)的形成過程[25]

圖9 NC?TENG在自動(dòng)力位置監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用案例

3.2 自供電傳感器

智能傳感器技術(shù)通過高效、準(zhǔn)確地從周圍環(huán)境中獲取信息，有利于人類和機(jī)器人理解和感知外部世界?；贜C?TENG的傳感器技術(shù)可以賦予機(jī)械設(shè)備一定的傳感特性，實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度檢測(cè)、障礙物檢測(cè)等。新型的無觸摸識(shí)別技術(shù)不僅填補(bǔ)了智能人機(jī)交互的技術(shù)空白，而且將在智能包裝領(lǐng)域上產(chǎn)生一股新的創(chuàng)新熱潮。

Le等[30]設(shè)計(jì)并集成了濕度傳感器和摩擦電傳感器，濕度傳感器能夠連續(xù)穩(wěn)定地與接近的手指相互作用，由2個(gè)環(huán)形鋁電極制成的簡易摩擦電傳感器使交互界面能夠快速識(shí)別多方向手指運(yùn)動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、低信號(hào)噪聲、優(yōu)良的重復(fù)性、快速響應(yīng)和恢復(fù)速度等功能。利用濕度傳感器的共振頻率變化和摩擦電傳感器的輸出電壓波形，成功實(shí)現(xiàn)了低限度、多模態(tài)的非接觸交互接口，如圖10a所示。Wang等[31]受蟑螂天線的啟發(fā)，提出了一種基于NC?TENG工作原理的用于識(shí)別非接觸運(yùn)動(dòng)的仿生天線陣列（BAA）傳感器，并專門設(shè)計(jì)了一種用于輸出靜電信號(hào)到微控制器單元（MCU）的數(shù)據(jù)處理模塊，如圖10b所示?；谔炀€陣列的放大效應(yīng)，該BAA傳感器檢測(cè)到的最大距離可達(dá)180 mm，位移分辨率為1 mm。同時(shí)，BAA傳感器與接近開關(guān)、智能機(jī)器人、移動(dòng)車輛集成，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)報(bào)警和障礙物檢測(cè)等功能。Lee等[32]開發(fā)了2種非接觸式模式的應(yīng)用：無鑰匙電子門鎖系統(tǒng)、帶汽車音輪的速度傳感器，如圖10c所示。門鎖系統(tǒng)可以在只接近數(shù)字墊的情況下實(shí)現(xiàn)手勢(shì)的識(shí)別。汽車音輪的速度傳感器即使在非常潮濕的條件下（空氣相對(duì)濕度為99%）下，成功識(shí)別以1～300 km/h速度移動(dòng)的物體，在人機(jī)接口等智能設(shè)備方面顯示出巨大的潛力。

3.3 電子皮膚

人工智能、仿生假肢和物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域強(qiáng)烈刺激了對(duì)于智能電子皮膚的需求。常用的可穿戴傳感器需要身體上的組件，這可能會(huì)引起不適，且容易被使用者遺忘，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完整。電子皮膚可以讓機(jī)器人擁有觸覺，為智能包裝電子設(shè)備帶來了曙光。Ma等[33]報(bào)道了一種多功能、超柔性、高靈敏度、基于魚膀胱膜的非接觸摩擦電納米發(fā)電機(jī)（FBF?NC?TENG），用于智能電子皮膚，其潛在應(yīng)用事例如圖11a所示。FBF? NC?TENG在收集生物能方面具有良好的電輸出性能，所制備的基于FBF?NC?TENG的電子皮膚在0～27 mm范圍內(nèi)表現(xiàn)出非接觸位置的傳感性能。FBF?TENG為不同容量電容器充電的累積電壓如圖11b所示。由FBF?TENG充電的電容器驅(qū)動(dòng)的電子表和濕度計(jì)的圖像如圖11c所示。基于FBF?TENG的電子皮膚充當(dāng)無線智能開關(guān)如圖11d所示。多功能優(yōu)勢(shì)使得NC?TENG成為智能接口和假肢等多種應(yīng)用的理想選擇，在機(jī)器人設(shè)計(jì)、假肢制造、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

圖10 NC?TENG在自供電傳感器方面的應(yīng)用案例

圖11 NC?TENG在電子皮膚方面的應(yīng)用案例[33]

4 結(jié)語

非接觸模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)有效避免了摩擦電材料之間或外力與器件之間的接觸和摩擦，大大提高了器件的使用壽命?；诙喾N不同結(jié)構(gòu)的NC?TENG，通過介電常數(shù)調(diào)制、添加電子捕獲中間層等措施，改善了摩擦電材料ESD帶來的電荷衰減情況，提高了NC?TENG的電輸出性能，它在自動(dòng)力傳感等方面顯示出良好的應(yīng)用潛力。雖然NC?TENG的發(fā)展處于初級(jí)階段，但為智能包裝的研究提供了參考。針對(duì)智能包裝領(lǐng)域，建議NC?TENG未來的工作包括以下幾方面。

1）提高環(huán)境適用性。在一些充滿意外強(qiáng)烈機(jī)械沖擊和灰塵的包裝運(yùn)輸環(huán)境（如顛簸、高溫、極其寒冷和高輻射等）中仍然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，設(shè)備無法提供穩(wěn)定可靠的輸出。在未來的研究中，一方面可采用終端封裝技術(shù)對(duì)NC?TENG進(jìn)行保護(hù)；另一方面可引入自修復(fù)概念，為受機(jī)械沖擊或污染物損壞的NC?TENG提供新的研發(fā)思路。

2）進(jìn)一步擴(kuò)展包裝領(lǐng)域的場景化設(shè)計(jì)應(yīng)用。在未來的研究中，實(shí)現(xiàn)流通過程中包裝器件振動(dòng)信號(hào)的自供電監(jiān)測(cè)，食品或生鮮產(chǎn)品中有害物的自供電傳感檢測(cè)，產(chǎn)品包裝生產(chǎn)環(huán)境的自供電監(jiān)測(cè)，以提高NC?TENG在整個(gè)包裝領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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Latest Research Progress of Noncontact Triboelectric Nanogenerator

FU Xiao-fei, WANG Bin-bin, ZHANG Zheng-jian,GAO Meng,LIU Yang,CHEN Yun-zhi

(Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

With the rapid development of science and technology, people's demand for sustainable energy is increasing. Triboelectric nanogenerator (TENG) which achieves self power supply with all kinds of weak mechanical energy is helpful to alleviate this demand. Noncontact triboelectric nanogenerator (NC-TENG) can improve the stability and service life of TENG. The latest research progress of NC-TENG was summarized to provide a useful reference for structural design and performance optimization of NC-TENG. According to the structure and optimization method of NC-TENG, different NC-TENGs and their performance were introduced, focusing on their application in intelligent packaging, to look forward their performance optimization and application in the future. Based on different assembly structures, performance optimization schemes such as modulation of dielectric constant and addition of charge trapping interlayer could effectively avoid electrostatic discharge and improve the charge retention of NC-TENG. Compared with TENG, NC-TENG has higher stability and longer service life. It shows great potential in dealing with energy and promoting emerging electronic products. It is expected to have a wide application prospect in the field of intelligent packaging.

noncontact triboelectric nanogenerator; noncontact; stability

TB484.9

A

1001-3563(2023)01-0061-13

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.01.008

2022?05?31

天津市教委科研計(jì)劃（2018KJ096）

付曉飛（1998—），女，碩士，主要研究方向?yàn)楣δ苄杂∷㈦娮悠骷?/p>

張正健（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛∷⒓埣庸ぜ夹g(shù)和功能性油墨研發(fā)。

責(zé)任編輯：彭颋