付曉飛，王斌斌，張正健，高萌，劉陽，陳蘊智

非接觸式摩擦納米發(fā)電機的最新研究進展

付曉飛，王斌斌，張正健，高萌，劉陽，陳蘊智

（天津科技大學，天津 300457）

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，人們對可持續(xù)能源的需求不斷增加。摩擦納米發(fā)電機（TENG）利用各類微弱機械能實現(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（NC?TENG）可以提高穩(wěn)定性和使用壽命?？偨Y(jié)NC?TENG的最新研究進展，為NC?TENG的結(jié)構(gòu)設計、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，重點綜述其在智能包裝領域的應用，并對未來的性能優(yōu)化和應用工作進行展望?；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，在應對能源危機和推動新興電子產(chǎn)品方面顯示出巨大的潛力，預計在智能包裝領域有著廣泛的應用前景。

非接觸式摩擦納米發(fā)電機；非接觸；穩(wěn)定性

隨著人類文明的不斷進步，能源供應面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)。一方面，人類對化石能源的巨大消耗，導致能源枯竭和全球升溫。另一方面，快速發(fā)展的電學器件迫切需要新的電源技術(shù)來克服傳統(tǒng)電源的缺點，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（Triboelectric Nanogenerator，TENG）是一種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的新型技術(shù)，在應對能源和環(huán)境危機，推動新興電子產(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)換效率高等諸多獨特的優(yōu)點。由于接觸式TENG在工作過程中會受到頻繁、直接和長期的機械沖擊，從而導致材料和設備故障，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，合成新的動態(tài)金屬，它是在室溫下具有超高拉伸性和顯著自修復性能的彈性體[3]；使用一些優(yōu)秀、堅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合材料作為TENG的電極材料[4]，但此方法對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（Noncontact TENG，簡稱NC?TENG）。在實際應用中，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)境中物體的摩擦預先充電[7]。這些靜電電荷能夠在摩擦層表面停留數(shù)小時，即使摩擦電材料未直接接觸，每個帶電的摩擦層之間的相對運動也會引起外部電路上的電荷流動，因此形成了NC?TENG，如滑動式非接觸感應納米發(fā)電機[8]。在過去幾年中，從基礎研究到應用擴展的各個方面都取得了一系列進展。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)近年來報道的NC?TENG的構(gòu)建、性能提升方法，展示NC?TENG的相關應用案例（如圖1所示），為NC?TENG的結(jié)構(gòu)設計、性能優(yōu)化提供有益參考，并對NC?TENG的未來發(fā)展做出展望。研究表明，NC?TENG在智能包裝領域有著廣泛的應用前景。

圖1 NC?TENG的最新研究進展

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、橫向滑動模式、單電極模式和獨立的摩擦層模式，這是各種NC?TENG原型的基礎[9-10]。NC?TENG的運行原理是靜電感應。摩擦層通過摩擦電材料之間的初始接觸或與自然環(huán)境中物體的摩擦預先充電，由于2個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。預存儲的等量正負電荷分別儲存在摩擦層材料表面，當兩表面發(fā)生位移時會產(chǎn)生電勢差。當電極（負載）組成外電路時，外電路的電子便會移動，以平衡電勢差，產(chǎn)生電流，因此形成了NC?TENG。位移變化通常由機械力驅(qū)動，機械能轉(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)

對于長期連續(xù)工作的終端設備，摩擦層界面的頻繁機械摩擦造成設備出現(xiàn)故障,使得其電輸出性能大大下降。利用非接觸概念設計的NC?TENG能夠有效降低TENG的機械磨損，從而提高TENG的耐久性。近幾年報道的扇形結(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)異的堅固耐用性。

1.2.1 扇形結(jié)構(gòu)

Lin等[11]首先報道了非接觸式自由旋轉(zhuǎn)圓盤摩擦電納米發(fā)電機（FRD?TENG），將2個具有互補四段形狀的分離鋁箔（直徑為10.16 cm）作為2個固定電極，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旋轉(zhuǎn)，保存在介質(zhì)FEP表面的摩擦電荷將誘導2個分離鋁電極之間的電子流動，使得電勢差發(fā)生變化，進而產(chǎn)生靜電感應，如圖3a所示。測量結(jié)果表明，在500 r/min條件下，開路電壓可達到220 V?；诖诵D(zhuǎn)圓盤非接觸結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，有學者提出了一種基于自動模式開關（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個部分：定子、旋轉(zhuǎn)器和離心驅(qū)動層。由于存在離心驅(qū)動層，定子和旋轉(zhuǎn)器可以在低速時接觸，因此在高速旋轉(zhuǎn)時會自動分離。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產(chǎn)生。作為一種常見的旋轉(zhuǎn)和滑動型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，作為獨立的摩擦層。經(jīng)測試，高性能旋轉(zhuǎn)TENG可以點亮944個綠色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扇形旋轉(zhuǎn)摩擦電納米發(fā)電機（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，從而實現(xiàn)高壓的輸出。

圖3 非接觸式摩擦納米發(fā)電機的扇形結(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)和間歇性補充表面電荷的方法來提高TENG的耐久性和壽命，但是其電學輸出較低。于是，Lin等[15]提出了一種軟接觸輔助的NC?TENG，提高了NC?TENG的堅固性、耐久性和輸出效率，應用假設場景如圖4a所示。NC?TENG采用彈簧輔助的擺狀結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)了頻率的倍增，在設計中應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，證明一次振動能量與電能的轉(zhuǎn)換效率高達29.7%。

1.2.3 磁輔助結(jié)構(gòu)

上述NC?TENG的研究重點是避免和減少2種摩擦電材料之間的物理接觸，以緩解設備的磨損。同樣，也可通過避免外部機械力對NC?TENG的直接影響，來增強器件的堅固性。例如，Huang等[16]研究了一種通過在器件表面覆蓋1層磁響應聚合物復合層的磁輔助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穩(wěn)定的電磁場，然后通過外部磁體的運動進行遠程控制發(fā)電，見圖5a。這種設計避免了傳統(tǒng)TENG器件與外部機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，這種磁輔助NC?TENG可以遠程控制摩擦電材料之間的接觸分離，將一些復雜而隨機的外部機械運動進行轉(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的速度、頻率和振幅收集自然風能和水能。Huang Long-biao[17]證明了基于磁輔助NC?TENG的風能和藍色能量收集新策略的可行性（圖5b），系統(tǒng)地研究了相關參數(shù)（接觸分離頻率、風速和濕度等）對NC?TENG性能的影響。結(jié)果表明，磁輔助非接觸式TENG在風能和藍色能量收集應用中具有較大的潛力。此外，Ren Xiao-hu[18]報道了一種類似的磁力驅(qū)動非接觸混合電磁摩擦電納米發(fā)電機，使用了嵌入的四氧化三鐵納米顆粒作為磁響應層，如圖5c所示。利用摩擦材料的磁響應特性，采用磁鐵作為觸發(fā)器，采用非接觸驅(qū)動接觸分離模式TENG，通過將磁鐵與銅線圈耦合以同時驅(qū)動電磁發(fā)電機?；旌霞{米發(fā)電機在輸出性能和充電性能方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，因此可以用于儲能設備的充電，并可持續(xù)地為某些便攜式電子設備供電。

圖4 NC?TENG的應用假設場景、結(jié)構(gòu)設計和工作原理[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，但是仍然面臨一個基本的問題：保留在介質(zhì)摩擦層表面的電荷會因粗糙表面存在的靜電放電（ESD）逐漸衰減，導致電輸出下降。這意味著非接觸模式裝置的運行必須頻繁中斷，以補充表面電荷，這樣限制了其實際應用。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

非接觸式操作試驗裝置存在靜電放電的關鍵問題，可采用具有高介電常數(shù)的材料增強表面電荷。Tu等[19]證明使用二維MXene納米片作為填料的PVDF基滲透復合材料具有顯著增強的介電常數(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105F/m。在質(zhì)量分數(shù)高達10%的MXene負載下，MXene/P（VDF? TrFE?CFE）復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）以具有末端官能團的自組裝單分子層膜（SAMs）的形式涂在其表面，增強了表面電荷。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，可以長時間保持電荷，因此具有長時間使用也能穩(wěn)定運行的優(yōu)點。電荷保持率是NC?TENG是否有效的關鍵參數(shù)，在已報道的研究中，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PDMS的表面電位和FE?TENG的電容進行了一定程度的調(diào)制。PVDF在非接觸過程中導致大量的摩擦電荷停留在PDMS中，ITO只需在PDMS上方進行上下移動（移動距離為），且不進行接觸就可以為發(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。Rana等[22]使用金屬有機框架基鈷納米孔碳（Co?NPC）/Ecoflex和MXene/EcoflEx納米復合層，以人體皮膚為自動力傳感器的材料，設計了一種超柔性、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)為納米復合材料提供了高表面積，MXene/Ecoflex納米復合材料的電荷存儲層積累了更多的負電荷，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具有較強的強電子親和性，可誘導表面電荷的生成，從而導致聚合物基體內(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。由于電荷保留是實現(xiàn)NC?TENG最重要的特性，因此將二硫化鉬加入激光誘導石墨烯（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)絡結(jié)構(gòu)是一種具有高比表面積和良好化學穩(wěn)定性的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，它為NC?TENG的結(jié)構(gòu)設計提供了全新的思路。Zhang等[25]通過調(diào)節(jié)靜電自旋射流的變形，設計了具有高表面電荷密度的球體多物理網(wǎng)絡PVDF@Ti3C2T復合膜。射流在拉伸過程中會發(fā)生變形，在水分的影響下產(chǎn)生了“微圖形”效應，形成了球形多物理網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，形成過程如圖8所示。球形多物理網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與Ti3C2T的協(xié)同效應賦予了摩擦電材料高輸出性能和高輸出穩(wěn)定性。由復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。此設計還可以準確地識別70 cm范圍內(nèi)的跑步（55 mV）、跳躍（105 mV）和行走（40 mV）等運動狀態(tài)?；谏鲜鎏攸c，該具有球形多物理網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的復合膜，為高性能摩擦電材料的開發(fā)和應用奠定了基礎，顯示出巨大的潛力和前景。

3 NC?TENG的應用

3.1 自動力位置監(jiān)測

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，還可通過檢測周圍環(huán)境和物體的實時信息實現(xiàn)自動力位置監(jiān)測，因此對周圍環(huán)境具有“識別”和“判斷”的功能，在智能包裝方面具有良好的應用潛力。

Yuan Fang[26]基于靜電感應和摩擦電效應，開發(fā)了一種具有監(jiān)測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，自供電檢測移動物體的距離和移動速度，其結(jié)構(gòu)如圖9a所示。基于NC?TENG的陣列可以應用于手桿、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動監(jiān)測NC?TENG，不僅可以自動檢測移動物體的距離和移動速度，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）、移動方向、行走速度、跑步速度和移動路徑，如圖9b所示。這2種位置識別NC?TENG都只能在實驗條件下單獨對周圍物體的某一位置和動作做出反饋，不能將其成熟地運用于日常生活。

基于上述情況，人們又開發(fā)出能夠靈活運用于現(xiàn)實生活的NC?TENG基位置識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成本低、實時監(jiān)控、易于裝配等優(yōu)點。Guo等[28]報道了一個較為成熟的非接觸式自動力定位和運動跟蹤系統(tǒng)，位置系統(tǒng)的檢測過程如圖9c所示。在該非接觸式自動力定位和運動跟蹤系統(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)也能響應一個小動作，實現(xiàn)了高靈敏自供電傳感。Anaya D V[29]提出了一個可以在不使用可穿戴設備的情況下區(qū)分人類復雜運動的位置監(jiān)測平臺，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，還能成功識別行走、跑步或跳躍等不同動作，實現(xiàn)了對距離為1.5 m內(nèi)人體位置的近場遠程監(jiān)測，未來在醫(yī)院老年人活動跟蹤和人員計數(shù)方面具有較大的潛在應用。

圖8 球面多物理網(wǎng)絡的形成過程[25]

圖9 NC?TENG在自動力位置監(jiān)測方面的應用案例

3.2 自供電傳感器

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

Le等[30]設計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別多方向手指運動，成功實現(xiàn)了高靈敏度、低信號噪聲、優(yōu)良的重復性、快速響應和恢復速度等功能。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工作原理的用于識別非接觸運動的仿生天線陣列（BAA）傳感器，并專門設計了一種用于輸出靜電信號到微控制器單元（MCU）的數(shù)據(jù)處理模塊，如圖10b所示。基于天線陣列的放大效應，該BAA傳感器檢測到的最大距離可達180 mm，位移分辨率為1 mm。同時，BAA傳感器與接近開關、智能機器人、移動車輛集成，實現(xiàn)了運動報警和障礙物檢測等功能。Lee等[32]開發(fā)了2種非接觸式模式的應用：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)字墊的情況下實現(xiàn)手勢的識別。汽車音輪的速度傳感器即使在非常潮濕的條件下（空氣相對濕度為99%）下，成功識別以1～300 km/h速度移動的物體，在人機接口等智能設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)等新興領域強烈刺激了對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，這可能會引起不適，且容易被使用者遺忘，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整。電子皮膚可以讓機器人擁有觸覺，為智能包裝電子設備帶來了曙光。Ma等[33]報道了一種多功能、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（FBF?NC?TENG），用于智能電子皮膚，其潛在應用事例如圖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)動的電子表和濕度計的圖像如圖11c所示。基于FBF?TENG的電子皮膚充當無線智能開關如圖11d所示。多功能優(yōu)勢使得NC?TENG成為智能接口和假肢等多種應用的理想選擇，在機器人設計、假肢制造、可穿戴電子設備等領域有著廣泛的應用。

圖10 NC?TENG在自供電傳感器方面的應用案例

圖11 NC?TENG在電子皮膚方面的應用案例[33]

4 結(jié)語

非接觸模式的摩擦納米發(fā)電機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。基于多種不同結(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，它在自動力傳感等方面顯示出良好的應用潛力。雖然NC?TENG的發(fā)展處于初級階段，但為智能包裝的研究提供了參考。針對智能包裝領域，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。在一些充滿意外強烈機械沖擊和灰塵的包裝運輸環(huán)境（如顛簸、高溫、極其寒冷和高輻射等）中仍然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，設備無法提供穩(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NC?TENG進行保護；另一方面可引入自修復概念，為受機械沖擊或污染物損壞的NC?TENG提供新的研發(fā)思路。

2）進一步擴展包裝領域的場景化設計應用。在未來的研究中，實現(xiàn)流通過程中包裝器件振動信號的自供電監(jiān)測，食品或生鮮產(chǎn)品中有害物的自供電傳感檢測，產(chǎn)品包裝生產(chǎn)環(huán)境的自供電監(jiān)測，以提高NC?TENG在整個包裝領域的發(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

天津市教委科研計劃（2018KJ096）

付曉飛（1998—），女，碩士，主要研究方向為功能性印刷電子器件。

張正健（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向為印刷紙加工技術(shù)和功能性油墨研發(fā)。

責任編輯：彭颋