摩擦電納米發電機（TENGs，Triboelectric nanogenerators）是一種利用摩擦帶電效應和靜電感應原理，將機械能轉換為電能的新型能量收集和傳感技術。

在物聯網領域，TENGs 具有為低功率電子產品供電或制備自供電傳感器的巨大潛力，相比其他常見的能量轉換方法比如壓電和電磁，TENGs 具有更高的效率和靈活性。

在 TENGs 的四種基本工作模式中，滑動式 TENG（S-TENG，Sliding Triboelectric nanogenerators）是其中之一。S-TENG 以材料選擇廣泛、制備工藝簡單、成本低廉和結構易于封裝等優勢而受到廣泛關注。

(資料圖片僅供參考)

然而，S-TENG 也存在著一個顯著缺陷，即上下部分的接觸壓力不足，這會降低其能量收集性能和傳感靈敏度。

TENGs 的輸出特性受到機械結構和外部激勵的重要影響。針對不同模式 TENGs 的輸出功率、匹配電阻和能量轉換效率，隨接觸面積、膜厚度、觸發頻率、水平力和位移距離等因素變化的規律，已有文獻開展了實驗研究和理論分析。

基于等效電路模型和 TENGs 的控制方程，人們也建立了 S-TENG 的基本輸出特性理論。然而，外部預緊力對 S-TENG 的電輸出性能的影響尚不明確，已得到報道的相關研究也比較少。

因此，深入探究外部預緊力與 S-TENG 的機電耦合關系，對于優化其能量收集和傳感性能具有重要意義。鑒于磁力是一種常用的外部載荷方式，相比于其他作用力方法，它可以作為施加預緊力的一種簡便策略。

為此，上海大學副教授李忠杰和合作者提出一種在 S-TENG 中外加柔性磁層的新方法，借此他們研究了磁預緊力對于 S-TENG 機電耦合效應（MS-TENG，Mechnosensational TENG）的影響。

通過引入磁預緊力系數，課題組建立了 MS-TENG 的機電特性理論模型。基于等效電路模型，分析了磁預緊力、負載電阻和滑動頻率對 MS-TENG 在低速滑動下的輸出性能的影響規律。

進而，他們驗證了 MS-TENG 的輸出性能與磁預緊力、負載電阻和滑動頻率之間的關系，并與理論計算結果進行對比，結果表明兩者具備良好的一致性。

概括來說，本次研究揭示了磁預緊力在 MS-TENG 上的作用機制，對于磁預緊力與其他激勵因素在 MS-TENG 上的輸出性能上的協同效應加以說明，為優化滑動式 TENG 的能量收集和傳感性能提供了一種有效途徑。

（來源：Advanced Functional Materials）

該成果的潛在應用主要有兩方面：能量收集和傳感。一方面它可以提高滑動式 TENG 的電性能輸出，能對人體或其他物聯環境的運動機械能進行高效收集，進而轉化為電能，這能為各類物聯網系統低功耗電子設備供電，從而實現能源的自主補給與設備自供電。

另一方面該成果可以大幅提高 TENG 傳感器的靈敏度，當將其置于待測節點處之時，即可用于對節點運動與變形信息進行高精度的監測。尤其在生物信息的識別上，本次成果能夠進行手勢識別，以及通過制備滑動觸摸板來進行人機交互，故能為物聯網、智能家居、智慧醫療等領域的信息柔性感知發展做出一定貢獻。

具體研究步驟如下：

期間，他們先是構思出來所需要的裝置樣機雛形以及實驗思路。然后對裝置進行第一次加工：即采用三維建模系統對實驗裝置樣機進行初步建模，繪制工程圖紙并研制原理樣機。這時，對所需柔性磁貼磁力的大小進行預估，以獲取所需要的柔性磁貼。

然后，他們開始進行第一次試驗，通過設置激勵條件與制定試驗方案，在試驗中得到初步數據并分析其效果，結果發現原理樣機存在不足之處，因此沒有完全達到預期效果。

于是，他們對裝置加以改進。針對第一次加工裝置所出現問題以及不足來進行樣機改進，并優化后續試驗方案。在第二次試驗中，課題組初步得到一批數據，通過數據擬合以及利用參數辨識方法，得到了所需的理論模型參數。

隨后，他們開展精細的實驗驗證與研究。針對多組 TENG 進行重復性實驗，從而得到相應的實驗數據。

接著，他們使用數據處理軟件對所得到的數據進行處理，繪制了校正后的理論模型結果以及實驗研究結果，并通過多方對比完成了機理驗證。

最終，相關論文以《磁預壓滑動模式納米發電機的力-摩擦電轉換》（Mechano-triboelectric Transduction of Sliding-mode Nanogenerators with Magnetic Pre-stress）為題發在 Advanced Functional Materials 。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）

上海大學博士生章欽是第一作者，上海大學李忠杰副教授和張泉副教授、以及重慶大學郭恒宇教授擔任共同通訊作者 [1]。

圖 | 李忠杰（來源：李忠杰）

未來，他們打算基于這款磁預緊力模型開展一些應用。由于該磁預緊力策略可以提高 TENG 的輸出性能，因此課題組擬通過在材料中添加磁粉的方法制備一個基于此策略的 TENG 傳感手套，以用于監測手指彎曲。其中，磁預緊力策略能夠提高 TENG 傳感手套的靈敏度，實現對手指彎曲角度的高精度監測。

另據悉，李忠杰承擔的“科技創新行動計劃”社會發展科技攻關項目（400 萬元），曾于 2022 年入選“上海科技青年 35 人引領計劃”。

據介紹，“科技創新行動計劃”旨在針對海洋水下監測系統續航時長有限、且嚴重受制于自攜能源的問題，采用自主俘獲環境動能的方式，為系統實現自主高效供能的總體思路。

這項研究基于階段非線性低頻振動俘能機制、以及渦機扭振洋流流向自適應機理和能量傳遞機制，突破了時變海況與俘能控制技術、基于赫維賽德方程的磁場高效機電轉化技術、以及俘能器件組網與電能管理技術，目的是希望解決海洋環境能量收集難、電能傳遞效率低的國際難題，研制面向海洋監測系統與作業環境的高功率密度自主能-供能系統。

目前，該系統已經在國內某海域場進行海試，成功實現了利用海洋無規則環境動能對監測系統進行全天候快速充電的功能，續航時間提高至少 100%，為海洋超長時作業效能提供了重要支撐。

此外，李忠杰還曾參與“高科技賦能長江口二號古船水下考古”的項目。他和團隊研制的水下自供能水文信息監測系統，利用現場水下復雜水環境能源，實現了對發掘現場的強時變水文信息的超長時感知。

目前，該課題組已經在國際頂刊和國內外頂會上累計發表 SCI/EI 論文 30 余篇、獲授權發明專利 30 余項。

參考資料：

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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