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(gòu)建了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機（MT-TENG），這種新結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高度的堅固性和空間分割。
隨著科學技術(shù)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(guān)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?qū)h(huán)境中無法獲得的能源轉(zhuǎn)化為可用的電能來產(chǎn)生具有巨大應用潛力的可再生能源而備受關(guān)注。然而，對于傳統(tǒng)的柵格結(jié)構(gòu)在空間利用率和穩(wěn)定性方面有改進的余地。為了進一步提高輸出性能，必須設計一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、空間利用率高的新結(jié)構(gòu)。同時，榫卯結(jié)構(gòu)是中國古代建筑、家具和其他設備的主要結(jié)構(gòu)方法，是一種通過結(jié)合凹凸部分連接兩個部件的巧妙方法，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(gòu)建了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機（MT-TENG），這種新結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生的功率可以驅(qū)動53個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（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)的光學照片；
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(guān)系；（d）輸出功率密度與MT-TENG負載電阻的關(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(guān)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(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（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(chǎn)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(chǎn)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(qū)動電源，從而在可穿戴電子設備等領(lǐng)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)
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