未来可期！摩擦纳米发电机在智能鞋中应用的系列成果集锦！

2012年，王中林院士团队基于摩擦起电和静电感应的机械能转化技术，开创了摩擦纳米发电机（Tribo Electric Nano Generator，TENG）的研究领域。其核心原理为：

在TENG 的内部电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的材料薄层之间会发生电荷转移，从而在二者之间形成电势差；在TENG 的外部电路中，电子在电势差驱动下，在分别粘贴在摩擦电材料层背面的两个电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。因此，在周期性机械外力作用下，两个背电极间会有电流来回流动，从而将机械能转化为电能。

参考文献：Changsheng Wu, Aurelia C. Wang, Wenbo Ding, Hengyu Guo and Zhong LinWang*, Triboelectric Nanogenerator: A Foundation of the Energy for the New Era,Advanced Energy Materials, 2018.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201802906

从2012年至今，TENG飞速发展，输出功率从几微瓦提升至几瓦，发展出了四种基本模式，应用领域涵盖了无线物联网传感、可穿戴智能设备、植入式医学应用到海洋能收集等。仅针对TENG的传感应用，Peter Harrop在一份产业调研报告中指出，TENG传感器将在2028年达到4.8亿美元的产业规模^[1]。目前已有40多个国家，几十个研究机构，数千多名研究人员在从事TENG的研发和产业应用工作。

韩国三星综合技术研究院发布了一项最新的研究报告《可穿戴设备通过人体运动供电，可行吗？》^[2]，该报告指出：TENG能够满足小型可穿戴设备和便携式电子设备的能耗需求（如下图所示）。该研究院围绕TENG在可穿戴智能设备中的应用开展了大量研发工作。

图片来源：参考资料[2]

在此背景下，中科院北京纳米能源与系统研究所的研究团队和美国佐治亚理工学院的研究团队率先开展了多项原创性的基于纳米发电机的智能鞋的研究。

2016年9月，王中林院士领导的美国佐治亚理工学院的研究团队利用硅橡胶构建了一种全柔性的纳米发电机阵列，置于智能鞋底，将人体运动（例如步行或慢跑）转化为电能，可以驱动LED发光阵列，电子手表和温湿度计等电子设备。这种可穿戴电源通过TENG实现，电荷密度为250μCm-2。该TENG采取合理设计的螺旋带接触结构，具有柔性，可拉伸，可穿戴，重量轻，成本低和防水等特点。管状TENG的对称结构保证了从各种方向触发的多种机械运动中收获能量时的稳定性。由于其可扩展的制造工艺，TENG的几何形状可以根据用户的要求进行定制。

参考文献：Jie Wang, Shengming Li, Fang Yi, Yunlong Zi,  Jun Lin, Xiaofeng Wang, Youlong Xu, Zhong LinWang*. Sustainably powering wearable electronics solely by biomechanicalenergy. Nature Communication 2016, 7, 12744.

https://www.nature.com/articles/ncomms12744

2018年5月，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究组进一步研发了基于纳米发电机的实时足压监测鞋垫。与心率、脉搏等生理信号一样，足底压力分布状态也是重要的生理信号，特别是足跟、中足外侧以及跖骨等许多区域的压力值，都是诊断疾病、预防足底损伤的重要医学指征。传统的足底压力监测系统，或者由于测试板体积庞大、不便穿戴测量，或者受限于功耗和电池的寿命，不能实现长时间连续监测。因此，研发团队利用自驱动的纳米发电机作为传感点位，大大降低了器件功耗，并进一步用纳米发电机作为能源，为传感系统的数据采集、数据处理和蓝牙发送提供电力，实现了包含几十个关键力点的实时数据采集和成像，并可在手机APP中随时查看。

参考文献：Chaoran Deng, Wei Tang，Long Liu, BaodongChen, Meicheng Li*, and Zhong Lin Wang* .Self ‐PoweredInsole Plantar Pressure Mapping System. Adv Funct Mater. 2018, 28, 201801606.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201801606

在上述基础上，研究团队持续创新。2019年2月，纳米能源所的研究团队展示了一款自驱动智能鞋的实验室模型。他们采用摩擦电纳米发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）混用策略，将摩擦起电和电磁感应的有效结合，可使半径为2 cm，高度为1.2 cm的混合纳米发电机在100次振动后将1,000 μF电容器充电至5.09 V。将这种小型混合型纳米发电机嵌入鞋中作为能量电池，在人体行走过程中，动能被纳米发电机收集，转化为电能，可以为装备在鞋上的各类电子器件供电，包括计步器、LED夜跑灯、温度检测器以及GPS定位装置等。

参考文献：Long Liu, Wei Tang, Chaoran Deng, Baodong Chen, Kai Han, Wei Zhongand Zhong Lin Wang*.Self-poweredversatile shoes based on hybrid nanogenerators. Nano Research 2019.

https://doi.org/10.1007/s12274-018-1978-z

近期，基于纳米发电机的自驱动发光套装和传感套装成功面市，象征着在学术领域凝聚了一大批科研工作者智慧结晶的纳米发电技术成功实现了产业转化，为新时代的自驱动智能可穿戴装备的发展迈出了坚实的第一步。

可以预见，未来几年在纳米发电技术的带动下，智能鞋以及相关的可穿戴智能设备将飞速发展，迎来一个自驱动的新时代，应用范围将涵盖大健康监测、康复理疗等等方面，最终实现高新科学技术回馈社会，回馈人民。

更多有关摩擦纳米发电技术的前沿研究欢迎关注北京纳米能源与系统研究所，关注王中林院士研究组。

北京纳米能源与系统研究所

王中林院士研究组

参考资料

[1]https://www.idtechex.com/research/reports/triboelectric-energy-harvesting-teng-2018-2028-000577.zh.asp

[2]Kyung-Eun Byun, Min-Hyun Lee, Yeonchoo Cho, Seung-Geol Nam, Hyeon-Jin Shin,Seongjun Park, "Potential role of motion for enhancing maximum output energyof triboelectric nanogenerator," APL Materials 2017. DOI:10.1063/1.4979955

[3]Long Liu, Wei Tang, Chaoran Deng, Baodong Chen, Kai Han, Wei Zhong, and ZhongLin Wang. Self-powered versatile shoes based on hybrid nanogenerators. NanoResearch, 2017, DOI: 10.1007/s12274-018-1978-z

[4]Jie Wang, Shengming Li, Fang Yi, Yunlong Zi, Jun Lin, Xiaofeng Wang, YoulongXu, Zhong Lin Wang*, Sustainably powering wearable electronics solely bybiomechanical energy, Nature Communication, 2016, 7:12744, DOI:10.1038/ncomms12744

[5]Chaoran Deng, Wei Tang, Long Liu, Baodong Chen, Meicheng Li, and Zhong Lin Wang,Self-Powered Insole Plantar Pressure Mapping System, Advanced Functional Materials, 2018, 1801606, DOI: 10.1002/adfm.201801606

[6]Changsheng Wu, Aurelia C. Wang, Wenbo Ding, Hengyu Guo and Zhong Lin Wang*,Triboelectric Nanogenerator: A Foundation of the Energy for the New Era,Advanced Energy Materials, 2018. DOI: 10.1002/aenm.201802906

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