新型摩擦電納米發電機：靈感來源於中華傳統剪紙！

導讀

可穿戴設備和感測器在使用時，往往需要反覆充電，這一直是影響用戶體驗的重要瓶頸。然而，最近科學家們受到中華民族傳統的剪紙藝術啟發，創造出了一種新型的超輕、菱形剪紙式樣的「摩擦靜電的納米發電機」，它可以利用人體運動的能量，讓電子設備實現供電。

技術關鍵字

摩擦電納米發電機

triboelectric nanogenerator

創新背景

近些年，攜帶型移動電子設備，例如智能手機、平板電腦、可穿戴設備等，不但價格越來越便宜、功能越來越強大、創新點也越多越多。

但是，正如正如我們以前所討論，這些設備有著一個共同的軟肋：

它們需要反覆插入插座進行充電。

對於這一點，John 之前介紹過很多創新相關的探索，例如：

（1）新型的溫差發電材料，可以利用人體的熱量，給智能穿戴設備供電；

（2）一種柔性納米設備，利用人體運動給電子設備供電；

（3）金手指智能手套，從手指運動中獲取能量；

（4）Braidio技術，在無線設備間分享電能，延長電池續航時間；

（5）新型紡織品，利用太陽能和風能為可穿戴電子產品供電等等。

（圖片來源於：喬治亞理工學院）

這一些列的創新，為我們勾畫出了未來移動電子設備的新型供電方式的藍圖，它將朝著自供電、新能源、清潔環保的方向發展。

創新探索

然而，今天要介紹的這項創新，也是一種利用人體自身運動能量，對移動電子設備進行供電的方式。

據《美國化學學會納米》雜誌報道，來自中國科學院、重慶大學、美國喬治亞理工學院、台灣科技大學等科研機構科研人員組成的團隊，包括 Zhong Lin Wang,
Chenguo Hu 等人，在中華民族傳統的剪紙藝術啟發下，開發出了一種輕量的、剪紙式樣的裝置，能採集來自人體運動的能量。

（圖片來源於：美國化學會）

核心技術

對於攜帶型電子設備，特別是可穿戴電子設備，例如手錶、聽診器、心率監測器來說，它們的功耗往往很小，而原先這些設備都是依靠鋰電池來重複充電使用。但是，科研人員想到了從用戶的身體運動中獲取能量，他們為了這個方案付出了好幾年的辛勤勞動。

他們的技術核心是：一種摩擦靜電的納米發電機（TENGs），它能夠從我們四周的機械能中吸收能量，這些機械能包括腳步，然後再用它去給攜帶型電子設備充電。

擦起電現象，是一種歷史悠久的現象，而且幾乎隨時隨地可以進行。而基於摩擦起電效應和靜電感應相結合的TENG，能夠用來將機械能轉化為電能。

TENG是一種能量產生器，其內部的電路中，由於摩擦電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間，會發生電荷轉移，而使得二者之間形成電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅動下，在兩個分別粘貼在摩擦電材料層背面的電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。

但是，大多數的TENG裝置還是面臨一些技術瓶頸：

需要幾個小時才能給小型的電子設備例如感測器充滿電，並且由亞克力製成，十分笨重。

現在，研究人員設計出了一種新型超輕、菱形剪紙式樣的TENG設備：

（圖片來源於：美國化學會）

它只有幾英寸長，並且覆以不同的材料，形成一個供電裝置。外部的四個側面，由黃金和石墨鍍膜的沙紙構成，組成設備的超級電容；內部的表面，由紙張和塗有黃金以及氟化乙烯丙烯薄膜，組成TENG能量採集器。

按壓和釋放該設備超過幾分鐘，就可以將設備充電到1伏，這足以給遠程控制的溫度感測器或者智能手錶供電。

應用價值

該設備有望作為新能源技術的自供電系統，應用於未來的可穿戴設備、感測器、智能電子設備的供電。

未來展望

這項技術的未來觀察點在於：製造成本、大規模量產、實際應用案例、商業化。

我們衷心期待不久的未來，這項技術可以取得更多的進展。

參考資料

【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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