研究背景
摩擦納米發電機（TENG）技術在機械、電學、光學、聲學、流體學等方面是能量收集和納米能源與納米系統（NENS）的一個很有前景的研究領域。新加坡國立大學李成闊團隊在EcoMat發表了題爲“Progress in TENG technology—A journey from energy harvesting to nanoenergy and nanosystem”的綜述性文章，系統地報告了TENG技術在能量提升、新興材料、自供電傳感器、NENS及其與其他潛在技術的進一步集成方面的進展。從包括電荷產生和能量提升方式的TENG機制開始，作者介紹了從能量收集器到各種自供電傳感器的應用，即物理傳感器、化學/氣體傳感器。隨後，討論了NENS的進一步應用，例如藍色能量、人機介面 (HMI)、神經接口/植入器件和光學接口/可穿戴光子學。轉向TENG之外的新研究方向，作者描述了混合能量收集技術、介電彈性體增強、自我修復、形狀自適應能力以及自我維持的NENS和/或物聯網 (IoT)。最後，討論了 TENG 技術未來向多功能和智能系統發展趨勢的展望和結論。
內容詳情
圖 1TENG 技術發展的里程碑——從能源採集到納米能源和納米系統（ NE NS ）的旅程
圖 2機制在materials/structure/circuit基於能量提升
圖 3自供電物理傳感器
圖 4先進電極設計的自供電物理傳感器
圖 5可穿戴式自供電氣體和化學傳感器
圖 6用於藍色能源應用的 TENG
圖 7用於人機介面應用的可穿戴 TENG
圖 8用於神經接口和可植入裝置的 TEN
圖 9用於光學應用的 TENG
圖 10TENG 和 EMG 混合發電機
圖 11騰鵬混合能源採集
圖 12Dielectric-elastomer-enhanced滕
圖 13新的研究方向：材料誘導的 TEN 新功能和性能增強
圖 14新的研究方向：自我維持的 NENS 和/或物聯網傳感器節點
結論與展望
隨着智能系統中能量收集的蓬勃發展，本文從能量收集到NENS的發展角度回顧了TENG的技術路線。爲提高能量收集效率，表面微/納米結構並非增加有效接觸表面積的唯一解決方案，其他如使用複合材料、外部電路系統，甚至機械結構設計同樣有助於提高能量收集效率。由於其設計簡單新穎、工作機制簡單、重量輕、體積緊湊等特點，TENG 有可能與各種電子設備結合使用，特別適用於即將到來的5G和物聯網在自供電傳感器方面的需求。爲提高TENG收集能量的效率，已報道了很多可行的方法（如複合材料、外部“電荷泵”和電路系統）。此外，還研究了直流輸出產生的新機制，以直接爲電子設備供電。同時，開發了大量自供電物理傳感器，包括壓力/力傳感器、觸覺傳感器、應變和彎曲傳感器、加速度和旋轉傳感器等，用於觸覺、傳感機器人、人機介面和醫療保健監測。為了實現多功能性，也可以借助摩擦電材料和結構設計，將先進的電極設計結合到傳統的TENG中，從而形成面向應用的TENG，以實時和原位傳感的形式獨立運行。藍色能源是NENS最重要的應用方向之一，主要以波浪能、潮汐能和滲透能等形式存在。在可穿戴電子設備和人機介面方面，TENG展示了在數字世界中實現高級操控的潛在能力。同時，採用TENG技術的神經接口/可植入設備爲自持續的神經調節、肌肉刺激、傳感、治療和爲其他醫療設備供電打開了大門，從而減少了對電池的依賴並延長了設備的使用壽命。此外，TENG還增強了一系列光學功能，包括髮光、光電檢測和光調製，以實現自供電發光、智能顯示、無線通信、個人隱私保護和運動監控等應用。除了用作能量收集器和自供電傳感器外，TENG 技術還推動了混合能量收集技術的研究方向，例如與EM和/或壓電機制的集成，提供了一種具有高轉換效率、低成本、與5G 中物聯網傳感器節點兼容的有前景的能源解決方案。另一個新的研究方向是通過探索具有形狀記憶能力、自愈能力、形狀自適應能力和拉伸性的新型材料，賦予TENG新的功能。得益於上述功能，TENG顯示出結構簡單多樣、柔韌性/拉伸性、形狀記憶能力、自愈能力、形狀適應能力、高輸出性能、無材料限制、成本效益和良好的可擴展性。最後，TENG 技術的蓬勃發展促進了各種基於TENG和TENG集成的全新研究領域的出現，如能量收集、自供電傳感/驅動和智能NENS（能源採集模塊、電源管理模塊、信號處理模塊、顯示和交互模塊），具有多功能性和自持續性，適用於個性化醫療監護和治療、身份識別、智能家居/樓宇、VR/AR場景智能交互等應用領域。
文章信息
朱建雄、朱明祿、石瓊峯、馮文、劉龍、董博威、艾哈邁德·哈龍、楊豔琴、菲利普·瓦雄、郭信閣、何天一、李成國、* TENG 技術的進展-從能量收集到納米能源和納米系統的旅程EcoMat.2020 年；第二階段：第 12058 年。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/eom2.12058