摩擦电纳米发电机（TENGs，Triboelectric nanogenerators）是一种利用摩擦带电效应和静电感应原理，将机械能转换为电能的新型能量收集和传感技术。
在物联网领域，TENGs 具有为低功率电子产品供电或制备自供电传感器的巨大潜力，相比其他常见的能量转换方法比如压电和电磁，TENGs 具有更高的效率和灵活性。
在 TENGs 的四种基本工作模式中，滑动式 TENG（S-TENG，Sliding Triboelectric nanogenerators）是其中之一。S-TENG 以材料选择广泛、制备工艺简单、成本低廉和结构易于封装等优势而受到广泛关注。
(相关资料图)
然而，S-TENG 也存在着一个显著缺陷，即上下部分的接触压力不足，这会降低其能量收集性能和传感灵敏度。
TENGs 的输出特性受到机械结构和外部激励的重要影响。针对不同模式 TENGs 的输出功率、匹配电阻和能量转换效率，随接触面积、膜厚度、触发频率、水平力和位移距离等因素变化的规律，已有文献开展了实验研究和理论分析。
基于等效电路模型和 TENGs 的控制方程，人们也建立了 S-TENG 的基本输出特性理论。然而，外部预紧力对 S-TENG 的电输出性能的影响尚不明确，已得到报道的相关研究也比较少。
因此，深入探究外部预紧力与 S-TENG 的机电耦合关系，对于优化其能量收集和传感性能具有重要意义。鉴于磁力是一种常用的外部载荷方式，相比于其他作用力方法，它可以作为施加预紧力的一种简便策略。
为此，上海大学副教授李忠杰和合作者提出一种在 S-TENG 中外加柔性磁层的新方法，借此他们研究了磁预紧力对于 S-TENG 机电耦合效应（MS-TENG，Mechnosensational TENG）的影响。
通过引入磁预紧力系数，课题组建立了 MS-TENG 的机电特性理论模型。基于等效电路模型，分析了磁预紧力、负载电阻和滑动频率对 MS-TENG 在低速滑动下的输出性能的影响规律。
进而，他们验证了 MS-TENG 的输出性能与磁预紧力、负载电阻和滑动频率之间的关系，并与理论计算结果进行对比，结果表明两者具备良好的一致性。
概括来说，本次研究揭示了磁预紧力在 MS-TENG 上的作用机制，对于磁预紧力与其他激励因素在 MS-TENG 上的输出性能上的协同效应加以说明，为优化滑动式 TENG 的能量收集和传感性能提供了一种有效途径。
（来源：Advanced Functional Materials）
该成果的潜在应用主要有两方面：能量收集和传感。一方面它可以提高滑动式 TENG 的电性能输出，能对人体或其他物联环境的运动机械能进行高效收集，进而转化为电能，这能为各类物联网系统低功耗电子设备供电，从而实现能源的自主补给与设备自供电。
另一方面该成果可以大幅提高 TENG 传感器的灵敏度，当将其置于待测节点处之时，即可用于对节点运动与变形信息进行高精度的监测。尤其在生物信息的识别上，本次成果能够进行手势识别，以及通过制备滑动触摸板来进行人机交互，故能为物联网、智能家居、智慧医疗等领域的信息柔性感知发展做出一定贡献。
具体研究步骤如下：
期间，他们先是构思出来所需要的装置样机雏形以及实验思路。然后对装置进行第一次加工：即采用三维建模系统对实验装置样机进行初步建模，绘制工程图纸并研制原理样机。这时，对所需柔性磁贴磁力的大小进行预估，以获取所需要的柔性磁贴。
然后，他们开始进行第一次试验，通过设置激励条件与制定试验方案，在试验中得到初步数据并分析其效果，结果发现原理样机存在不足之处，因此没有完全达到预期效果。
于是，他们对装置加以改进。针对第一次加工装置所出现问题以及不足来进行样机改进，并优化后续试验方案。在第二次试验中，课题组初步得到一批数据，通过数据拟合以及利用参数辨识方法，得到了所需的理论模型参数。
随后，他们开展精细的实验验证与研究。针对多组 TENG 进行重复性实验，从而得到相应的实验数据。
接着，他们使用数据处理软件对所得到的数据进行处理，绘制了校正后的理论模型结果以及实验研究结果，并通过多方对比完成了机理验证。
最终，相关论文以《磁预压滑动模式纳米发电机的力-摩擦电转换》（Mechano-triboelectric Transduction of Sliding-mode Nanogenerators with Magnetic Pre-stress）为题发在 Advanced Functional Materials。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
上海大学博士生章钦是第一作者，上海大学李忠杰副教授和张泉副教授、以及重庆大学郭恒宇教授担任共同通讯作者 [1]。
图 | 李忠杰（来源：李忠杰）
未来，他们打算基于这款磁预紧力模型开展一些应用。由于该磁预紧力策略可以提高 TENG 的输出性能，因此课题组拟通过在材料中添加磁粉的方法制备一个基于此策略的 TENG 传感手套，以用于监测手指弯曲。其中，磁预紧力策略能够提高 TENG 传感手套的灵敏度，实现对手指弯曲角度的高精度监测。
另据悉，李忠杰承担的“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（400 万元），曾于 2022 年入选“上海科技青年 35 人引领计划”。
据介绍，“科技创新行动计划”旨在针对海洋水下监测系统续航时长有限、且严重受制于自携能源的问题，采用自主俘获环境动能的方式，为系统实现自主高效供能的总体思路。
这项研究基于阶段非线性低频振动俘能机制、以及涡机扭振洋流流向自适应机理和能量传递机制，突破了时变海况与俘能控制技术、基于赫维赛德方程的磁场高效机电转化技术、以及俘能器件组网与电能管理技术，目的是希望解决海洋环境能量收集难、电能传递效率低的国际难题，研制面向海洋监测系统与作业环境的高功率密度自主能-供能系统。
目前，该系统已经在国内某海域场进行海试，成功实现了利用海洋无规则环境动能对监测系统进行全天候快速充电的功能，续航时间提高至少 100%，为海洋超长时作业效能提供了重要支撑。
此外，李忠杰还曾参与“高科技赋能长江口二号古船水下考古”的项目。他和团队研制的水下自供能水文信息监测系统，利用现场水下复杂水环境能源，实现了对发掘现场的强时变水文信息的超长时感知。
目前，该课题组已经在国际顶刊和国内外顶会上累计发表 SCI/EI 论文 30 余篇、获授权发明专利 30 余项。
参考资料：
1.Zhang, Q., Shen, F., Cao, C., Gong, Y., Wang, B., Li, Z., ... & Guo, H. (2023). Mechano‐Triboelectric Transduction of Sliding‐Mode Nanogenerators with Magnetic Pre‐Stress.Advanced Functional Materials, 2301655.
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