通過(guò)對(duì)中國(guó)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(gòu)建了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（MT-TENG），這種新結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高度的堅(jiān)固性和空間分割。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人類社會(huì)正迅速進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時(shí)代，許多新的智能可穿戴設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。智能可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)傳感、人體健康監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對(duì)于這些智能可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定和連續(xù)的能源供應(yīng)是實(shí)現(xiàn)其正常工作的重要條件。目前，智能可穿戴設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)傳感器主要由傳統(tǒng)的電源供電，但這些能源供應(yīng)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(diǎn)。近年來(lái)，基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectricnanogenerator，TENG），因其具有體積小，同時(shí)能夠?qū)h(huán)境中無(wú)法獲得的能源轉(zhuǎn)化為可用的電能來(lái)產(chǎn)生具有巨大應(yīng)用潛力的可再生能源而備受關(guān)注。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的柵格結(jié)構(gòu)在空間利用率和穩(wěn)定性方面有改進(jìn)的余地。為了進(jìn)一步提高輸出性能，必須設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、空間利用率高的新結(jié)構(gòu)。同時(shí)，榫卯結(jié)構(gòu)是中國(guó)古代建筑、家具和其他設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)方法，是一種通過(guò)結(jié)合凹凸部分連接兩個(gè)部件的巧妙方法，這種結(jié)構(gòu)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(xué)張平副教授（通訊作者）通過(guò)對(duì)中國(guó)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(gòu)建了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（MT-TENG），這種新結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高度的堅(jiān)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(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（G-TENG）高1.7倍。同時(shí)本文也對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度和頻率對(duì)其能量收集的影響因素進(jìn)行了研究。此外，MT-TENG裝置可以采集人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，檢測(cè)人體手腳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尺寸為3cm×3cm的MT-TENG產(chǎn)生的功率可以驅(qū)動(dòng)53個(gè)LEDs。本文提供了一種創(chuàng)新的榫卯結(jié)構(gòu)，可以有效地提高TENG的輸出性能，在可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。相關(guān)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(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（MT-TENG）的制備流程
圖二、MT-TENG的結(jié)構(gòu)和摩擦電極形貌
（a）MT-TENG結(jié)構(gòu)的光學(xué)照片；（b，c）導(dǎo)電銅帶表面和截面的SEM圖像；
圖三、MT-TENG的工作機(jī)理與仿真
（b）使用COMSOL對(duì)MT-TENG的電極電位分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。
圖四、MT-TENG與G-TENG的對(duì)比
（a，b）在相同條件下，測(cè)量了G-TENG和MT-TENG的開(kāi)路電壓、短路電流；（c）輸出電壓與電流與MT-TENG負(fù)載電阻的關(guān)系；（d）輸出功率密度與MT-TENG負(fù)載電阻的關(guān)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(kāi)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(kāi)路電壓和短路電流隨頻率的變化而變化;（e）通過(guò)5000個(gè)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(yùn)動(dòng)傳感中的應(yīng)用
（d）相對(duì)應(yīng)的三種觸摸狀態(tài)的電壓信號(hào)。
圖七、MT-TENG在人體運(yùn)動(dòng)傳感中的應(yīng)用
（d）三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)。
圖八、MT-TENG在能源供應(yīng)中的應(yīng)用
（a）MT-TENG與53個(gè)綠色LEDs相關(guān)聯(lián)；（b）手指按壓時(shí)，53個(gè)綠色LEDs由MT-TENG供電；綜上所述，受中國(guó)傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者研制了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（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(nèi)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(qiáng)1.7倍。同時(shí)，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(gè)MT-TENG的輸出性能，重點(diǎn)研究了運(yùn)動(dòng)幅度和頻率對(duì)其能量收集性能的影響，而且MT-TENG還可用于收集人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能。具體來(lái)講，設(shè)計(jì)出了一種基于MT-TENG的設(shè)備，可以監(jiān)測(cè)人體手腳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最后，由此設(shè)計(jì)MT-TENG產(chǎn)生的電點(diǎn)亮了53個(gè)LEDs。這種環(huán)保、重量輕、堅(jiān)固、便攜的電子設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的自驅(qū)動(dòng)電源，從而在可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域具有良好的潛力。文獻(xiàn)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)
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