摩擦发电机在微弱能量收集中的应用

来源：科技导报

作者：赵至真  甘蓝月  胡又凡

新型的摩擦发电机是基于摩擦起电效应和静电感应相互耦合的能量转换设备，是一种可持续的、稳定的、绿色的能源供给方式。当摩擦发电机应用于各种微弱环境能量的收集时，其器件结构需要精心地设计，以满足灵敏度和效率的要求。

本文概述了多种适用于微弱能量条件的摩擦发电机设计，分析了其工作原理与应用场景，展望了该技术未来在人体健康监测与医疗设备的发展、可持续电子系统的建立以及安全预警设备的完善等方面应用的前景。

超灵敏的多层摩擦发电机

  

   

图1是一个超灵敏的多层摩擦发电机的设计，它拥有超高的效率，搭配研发的电源管理电路，可用于收集和利用环境中的微弱能量。

图1 超灵敏的多层摩擦发电机设计

运用新的单方向堆叠结构，薄膜的发电效率较传统摩擦发电机提升了50%，而当层数继续增加，这个值会逼近100%，这种增强的电荷转移能力将提高能量收集效率。同时，由于结构材料的大量减少，弹簧之上悬挂部分的重量也大大降低。因此，弹性系数较小的弹簧可被采用，用于改善设备的灵敏度。

在之前的实验设计中，摩擦发电机一般只考虑限制在沿垂直方向的振动模式，但是在实际应用的环境，转动模式的运动也大量存在。通过理论分析和实验研究发现，平动对于机械能到电能的转换效率远大于转动的转换效率（图1（d）），因此降低发电机的转动惯量将有助于将环境中的机械振动更多地转换为悬浮部分的平动运动，从而增加能量的转换效率（图1（e）～（h））。

线性稳压由于能够快速响应，在微弱能量收集应用中具有提高效率的优势。图1（i）、（j）所示为基于线性稳压的电源管理电路，集成了一个n型JFET（2sk545，ON Semiconductor®）、两个电容器和多个电阻器，可以实现可调节的输出电压来适用于不同应用场景，效率更高，启动速度也更快。此外，多余的能量也可以被存储在锂电池中。

可机洗的织物摩擦发电机

  

   

迄今为止报道的织物摩擦发电机大多依赖于滑动或接触分离的模式，需要至少一个纺织品作为基本表面和另一个表面，且需要显著的人体运动来产生器件的变形或者接触分离。即使采用单电极的方式，器件设计仍然很笨重。另外，这些织物摩擦发电机往往是通过复杂的方式制造的，复杂的程序很难在传统纺织制造业中大规模制造。

如图2所示，在这项工作中，通过直接编织铜（Cu）包覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯（Cu-PET）的经纱和聚酰亚胺（PI）包覆的（PI-CuPET）纬纱在工业编织机织成样品（图2（a））。

图2 可机洗的织物摩擦发电机设计

这个器件设计充分利用编织结构本身的优势：在敲击或弯曲下，织物产生微妙的变形，每组经纬纱线十字交叉点的接触面积发生变化，产生摩擦电荷，同时，Cu-PET纱线本身具有微米级粗糙度的表面。这些特点再加上单层织物的结构，有助于提升织物摩擦发电机的灵敏度，从而用于人体微弱运动的监测。

为了能够利用织物摩擦发电机检测人体的呼吸模式，专门优化了信号处理过程。另外，洗涤缩水性能测试结果证明该材料具有良好的洗涤耐久性与纺织行业兼容性，未来有希望进一步应用于体育、医疗保健等领域。

监测眼球运动的摩擦发电机

  

   

不像传统的人机界面（HMI），需要手动操作、语音输入等，基于生物电信号的HMI优势明显，特别是对于患有肌肉萎缩硬化症的患者。目前，应用于HMI的生物电信号包括脑电图、肌电图和眼电图信号。

其中，眼电图是在眼球运动的过程中基于角膜-视网膜电位差的信号。这里，一种无创、高度敏感可重复使用的摩擦发电传感器被用以实时监测眼睛的微动，如图3所示，它的优点在于易于制造、稳定、小巧、轻便、透明、灵活、亲肤、低成本、耐用。这种感知机械能的摩擦发电机具有多层膜结构，可以灵活地安装并隐藏在眼镜臂后面。

图3 监测眼球运动的摩擦发电机设计[2]

这样的传感器系统中所有设备尺寸都很小，在日常生活中有许多潜在的应用，例如开车时接听电话、残疾人自理等。

超灵敏柔性摩擦发电传感器

  

   

传统的触觉（触摸）感知仪器有电容式、压电式、电阻式和光学式，依赖于感应单元在力的作用下的变形响应，需要外部电源进行供电，另外还有材料脆弱、成本偏高等问题。

最近，发展了一类全新的自供电柔性摩擦发电传感器，在物理接触下，有机薄膜摩擦起电产生电压信号，可以不依赖于外部电源，如图4、图5所示。

图4 摩擦发电传感器的设计[3]

图5 摩擦发电传感器的应用[3]

由于摩擦生电的原理普遍适用于各类材料，可根据任何尺寸、形状和颜色进行定制，使其适应各类曲面，设计很灵活。更重要的是，通过整合摩擦发电机和信号处理电路，实现了各种完整的触觉传感系统，可以用于多样化的应用场景。

结  论

  

   

摩擦发电机除了能够转换环境中幅度较大的机械能外，对于微弱能量的收集和感知也能有很好的表现。摩擦发电机具有很强的多样性，有基于柔性薄膜的，有基于织物的；从原理上有基于接触分离的，有基于表面接触面积变化的；从应用上看可用以监测人体的各种指标，对于环境中的微弱扰动也可以有很高的灵敏度。另外，摩擦发电机具有自供电的特点，搭配上合适的电路设计，在未来物联网世界有广泛的应用前景。

同时，摩擦发电机的研究还有很多困难，例如摩擦发电机输出受限于摩擦材料的电荷密度、器件的稳定性和后续的能源管理等问题。这些问题需要来自不同专业背景的研究者的努力。

参考文献：

[1]Wang S, Lin L, Wang Z L. Nanoscale triboelectric-effect-enabledenergy conversion for sustainably powering portable electronics[J].Nano Letters, 2012, 12(12): 6339-6346.

[2]Pu X J, Guo H Y, Chen J, et al. Eye motion triggered self-poweredmechnosensational communication system using triboelectricnanogenerator[J]. Science Advances, 2017, 3(7): e1700694.

[3]Zhu G, Yang W Q, Zhang T, et al. Self-powered, ultrasensitive,flexible tactile sensors based on contact electrification[J]. NanoLetters, 2014, 14(6): 3208-3213.

本文作者：赵至真、甘蓝月、胡又凡

作者简介：赵至真，北京大学电子学院，博士研究生，研究方向为能量采集技术；胡又凡（通信作者），北京大学电子学院，副教授，研究方向为柔性电子技术。

论文发表于《科技导报》2022年第17期，本文有删减。