通過對中國傳統(tǒng)榫卯工藝的深入研究，利用廢棄紙張和聚丙烯（PP）材料，構建了一種新型的榫卯結構摩擦納米發(fā)電機（MT-TENG），這種新結構可以實現(xiàn)高度的堅固性和空間分割。
隨著科學技術的進步和發(fā)展，人類社會正迅速進入物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時代，許多新的智能可穿戴設備應運而生。智能可穿戴設備在運動傳感、人體健康監(jiān)測、實時環(huán)境變化監(jiān)測等方面發(fā)揮著至關重要的作用。對于這些智能可穿戴設備來說，穩(wěn)定和連續(xù)的能源供應是實現(xiàn)其正常工作的重要條件。目前，智能可穿戴設備中的運動傳感器主要由傳統(tǒng)的電源供電，但這些能源供應方法存在使用壽命短、循環(huán)穩(wěn)定性差、環(huán)境污染等缺點。近年來，基于摩擦起電效應和靜電感應耦合的摩擦納米發(fā)電機（Triboelectricnanogenerator，TENG），因其具有體積小，同時能夠將環(huán)境中無法獲得的能源轉化為可用的電能來產生具有巨大應用潛力的可再生能源而備受關注。然而，對于傳統(tǒng)的柵格結構在空間利用率和穩(wěn)定性方面有改進的余地。為了進一步提高輸出性能，必須設計一種結構穩(wěn)定、空間利用率高的新結構。同時，榫卯結構是中國古代建筑、家具和其他設備的主要結構方法，是一種通過結合凹凸部分連接兩個部件的巧妙方法，這種結構可以承受較大的載荷，且可以組合成多種形式。鑒于此，天津大學張平副教授（通訊作者）通過對中國傳統(tǒng)榫卯工藝的深入研究，利用廢棄紙張和聚丙烯（PP）材料，構建了一種新型的榫卯結構摩擦納米發(fā)電機（MT-TENG），這種新結構可以實現(xiàn)高度的堅固性和空間分割。研究表明，在相同空間條件下，MT-TENG的短路電流（Isc）輸出比柵格結構摩擦納米發(fā)電機（G-TENG）高1.7倍。同時本文也對運動幅度和頻率對其能量收集的影響因素進行了研究。此外，MT-TENG裝置可以采集人體運動的機械能，檢測人體手腳的運動狀態(tài)，尺寸為3cm×3cm的MT-TENG產生的功率可以驅動53個LEDs。本文提供了一種創(chuàng)新的榫卯結構，可以有效地提高TENG的輸出性能，在可穿戴電子設備等領域顯示出巨大的潛力。相關研究成果以“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”為題發(fā)表在Nano Energy上。論文第一作者為博士生張洪浩。
圖一、新型榫卯結構摩擦納米發(fā)電機（MT-TENG）的制備流程
圖二、MT-TENG的結構和摩擦電極形貌
圖三、MT-TENG的工作機理與仿真
（b）使用COMSOL對MT-TENG的電極電位分布進行了數(shù)值計算。
圖四、MT-TENG與G-TENG的對比
（a，b）在相同條件下，測量了G-TENG和MT-TENG的開路電壓、短路電流；（c）輸出電壓與電流與MT-TENG負載電阻的關系；（d）輸出功率密度與MT-TENG負載電阻的關系；（e，f）50MΩ MT-TENG的輸出電壓和電流。
圖五、MT-TENG在不同位移振幅和頻率下的輸出性能
（a，b）MT-TENG的開路電壓和短路電流隨位移幅值的變化而變化;（c，d）MT-TENG的開路電壓和短路電流隨頻率的變化而變化;（e）通過5000個連續(xù)工作周期，研究了MT-TENG的穩(wěn)定性；
圖六、MT-TENG在手部運動傳感中的應用
圖七、MT-TENG在人體運動傳感中的應用
圖八、MT-TENG在能源供應中的應用
（a）MT-TENG與53個綠色LEDs相關聯(lián)；（b）手指按壓時，53個綠色LEDs由MT-TENG供電；綜上所述，受中國傳統(tǒng)榫卯結構的啟發(fā)，作者研制了一種新型的榫卯結構摩擦納米發(fā)電機（MT-TENG）。與傳統(tǒng)的G-TENG相比，MT-TENG具有更高的硬度。此外，在有限的體積內提高了空間利用率，顯示出優(yōu)越的能量收集性能。 在相同條件下，電流輸出增強1.7倍。同時，使用廢棄的紙張和PP材料作為支撐材料，體現(xiàn)了環(huán)保和輕量化的理念。此外，作者還研究了單個MT-TENG的輸出性能，重點研究了運動幅度和頻率對其能量收集性能的影響，而且MT-TENG還可用于收集人體運動產生的機械能。具體來講，設計出了一種基于MT-TENG的設備，可以監(jiān)測人體手腳的運動狀態(tài)。最后，由此設計MT-TENG產生的電點亮了53個LEDs。這種環(huán)保、重量輕、堅固、便攜的電子設備可以實現(xiàn)可持續(xù)的自驅動電源，從而在可穿戴電子設備等領域具有良好的潛力。文獻鏈接：“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”(Nano Energy，2021，10.1016/j.nanoen.2021.105933)
文章轉載自微信公眾號：材料人
