作者

吳鵬凡、趙晨曦、崔恩典、徐世偉、劉濤、王發揚、Chengkuo Lee、牟笑靜

機 構

重慶大學，新加坡國立大學

Citation

Wu P F, Zhao C X, Cui E D, Xu S W, Liu T, Wang F Y, Lee C K and Mu X J. 2024. Advances in magnetic-assisted triboelectric nanogenerators: structures, materials and self-sensing systems. Int. J. Extrem. Manuf.6052007.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad5bc6

撰稿 | 文章作者

1. 文章導讀

摩擦電納米發電機(TENG)以其利用環境中的弱機械能的卓越能力而聞名，由于其成本效益，高輸出和適應性而獲得了相當大的關注。

近期，重慶大學光電工程學院、新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室的牟笑靜教授、吳鵬凡博士生、趙晨曦碩士生、崔恩典博士生、徐世偉博士生、劉濤博士生、王發揚博士生，和新加坡國立大學Chengkuo Lee教授在SCI期刊《極端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同發表《磁輔助摩擦電納米發電機的研究進展:結構、材料和自傳感系統》的綜述，從一個獨特的角度對磁輔助TENGs進行了全面深入的分析，包括結構、材料和自供電傳感系統，如圖1所示。系統地總結了磁輔助的各種功能，包括系統剛度、混合電磁摩擦發電機(HETG)的組成、傳輸和相互作用力。在材料領域，回顧了磁性納米復合材料的引入，以及基于鐵磁流體的TENG和微觀結構驗證，并在現有研究的基礎上進行了總結。此外，還深入探討了磁輔助傳感器在物理量傳感和人機界面方面的研究進展。

關鍵詞

摩擦納米發電機；磁輔助；結構；材料；自供電系統

亮點

• 介紹了磁輔助作為提高摩擦納米發電機動態響應范圍和摩擦材料有序控制性能的手段。

• 磁輔助最重要的功能在于摩擦納米發電機的環境適應性和潛在應用。

• 系統綜述了磁輔助摩擦電納米發電機的材料、結構和自傳感系統的最新進展。

• 討論了磁輔助摩擦電納米發電機技術的優勢、挑戰和未來展望。

圖1磁輔助TENG在結構、材料和自供電傳感系統中的應用綜述。版權所有（2020，2021，2022，2023）WILEY；（2015, 2019, 2021, 2022, 2023）Elsevier；（2024）The Royal Society of Chemistry。

2. 研究背景

隨著物聯網(IoT)在各個領域的發展，確保其終端和監控系統有可靠的能源供應是一個相當大的挑戰。傳統的供電方法不足以滿足廣泛的傳感器網絡的需求，因此強調需要便攜式、可持續的、分散的無碳綠色能源解決方案來為這些設備供電。2006年，王中林院士等人創造了“微納能源裝置”一詞，并推出了納米發電機，一種能夠通過位移電流將機械能高效轉化為電能的裝置。納米發電機以其緊湊的尺寸和靈活的設計而聞名，有多種應用，可以有效地捕獲少量的環境能量。在納米發電機中，摩擦納米發電機（TENG）和壓電納米發電機(PENG)因其從環境中獲取最小機械能的能力而脫穎而出。TENG特別擅長從風、聲音、小振動、溫度變化和人體運動等來源收集弱機械能，其驅動力是追求提高捕獲和轉換效率。這種追求的核心是優化TENGs從不同環境來源(如風、波浪和其他動力形式)獲取最大機械能輸入的能力。在這方面，研究人員已經投入了大量的精力來擴大TENG的動態響應范圍，這是一項充滿能量捕獲結構設計挑戰的任務。在采用的策略中，機械調諧，流固耦合和磁輔助已成為有前途的途徑。利用磁體之間的力及其與鐵磁性物體的相互作用，磁輔助TENGs為增強系統性能提供了一種特別有趣的方法。在本文中，牟笑靜教授等人廣泛地分析了磁輔助TENGs，并從一個獨特的角度研究了它們的結構、材料和自供電傳感系統。

3.最新進展

最新進展主要分為三個部分：磁輔助TENGs的結構、材料和自供電傳感系統。研究人員利用磁輔助來增強系統剛度、HETG組件、傳輸和相互作用力，從而產生具有特殊環境適應性的結構。而磁性納米復合材料的制備、基于鐵磁流體的TENG的實現以及微觀結構驗證則是提高TENG輸出性能和環境適應性的策略。同時，磁輔助自供電傳感器在物理量傳感和人機界面(HMI)方面也有較大突破。

磁輔助結構設計磁輔助結構可以提高TENGs的環境恢復能力，實現非接觸式力傳遞，促進復雜的機械動作，同時保持與HETG所需磁場的兼容。在磁輔助結構的幾種類型中，磁懸浮結構是最典型的，如圖2所示，TENG作為一種將機械能轉化為電能的換能器，可以簡化為剛度和質量的機械動力系統。不同磁體之間的電阻，由于它們的非接觸性、非線性特點，使得磁體在TENGs中充當系統剛度，增強系統性能。

圖2磁體在TENGs中充當系統剛度。(a)準零剛度結構。(b)磁力作為非線性引起系統振蕩。(c)垂直方向上的非接觸系統剛度減小摩擦阻力。(d)斜面上的系統剛度，以獲得雙軸靈敏度和較好的響應。(e)電池狀SUM中的懸浮磁鐵。(f)磁力是系統剛度的來源。經許可轉載。(g)磁懸浮雙螺旋TENG。經許可轉載。(h)磁懸浮結構。(i)基于TENG的實時監控車輛運行和碰撞的MASA傳感器。(j)磁雙穩寬帶振動沖擊TENG。(k)植入式磁性TENG體內腫瘤治療。(a) 經許可轉載。版權所有（2023）WILEY。(b)(e)(k)經許可轉載。版權所有（2019）WILEY。(c)經許可轉載。版權所有Springer。(d)經許可轉載。版權所有WILEY。(f)經許可轉載。版權所有（2014）American Chemical Society。(g)經許可轉載。版權所有（2022）WILEY。(h)經許可轉載。版權所有（2018）Elsevier。(i)經許可轉載。版權所有（2022）Elsevier (j)經許可轉載。版權所有（2023）MDPI。

磁輔助材料作為直接載體，摩擦材料是決定TENGs適用性的關鍵因素。磁輔助材料已成為增強TENGs性能和功能的有前途的途徑。根據制備方法和磁輔助材料形態的不同，現有的研究可分為磁性納米復合材料、鐵磁流體和磁輔助微結構三大類，磁性聚合物復合材料由于受磁場控制的磁性顆粒的可變排列而表現出可調節的電容，如圖3所示，因此從微觀角度研究其作為TENG摩擦材料的潛力至關重要。然而，鐵磁介質對TENG位移電流的影響研究卻很少。

圖3磁性納米復合材料的研究進展。(a)磁性聚合物復合材料TENG。(b)具有磁性納米復合材料的柔性高靈敏度TENG。(c)利用P(VDF-HFP) /NiFe2O4納米纖維復合材料的磁場輔助下的高性能TENGs。(d)使用打印機油墨作為納米填料，提高基于聚偏氟乙烯納米纖維的TENG的產量。(e)利用鐵/聚合物復合材料，麥克斯韋位移電流通過鐵磁特性增強了輸出性能。(a)經許可轉載。版權所有（2020）Elsevier。(b)(e)經許可轉載。版權所有（2022）Elsevier。(c)(d)經許可轉載。版權所有（2023）Elsevier。

磁輔助自供電傳感TENG作為機械換能器，利用摩擦電和靜電感應效應之間的相互作用。在這種情況下，設備的電輸出主要受各種外部機械刺激的影響，包括位移、速度、力、脈沖、頻率和環境條件。這種對機械刺激的固有敏感性，以及其明確的參數特性，使TENG成為自供電機械傳感器的理想選擇。磁輔助TENG的獨特結構有利于非接觸或高靈敏度自供電傳感系統的構建，尤其在人機交互中有著廣泛的應用，如圖4所示。

圖4磁輔助TENGs在人機界面中的應用。(a)磁相互作用輔助熱重熱法。(b) 3D軌跡傳感柔性HETG。(c)采用液-固界面的摩擦電觸覺傳感器。(d)可磁調諧各向異性摩擦電氣凝膠，用于可穿戴自供電觸覺感知。(a)經許可轉載。版權所有（2021）Elsevier。(b)經許可轉載。版權所有（2020）Elsevier。(c)經許可轉載。版權所有（2022）Springer。(d)經許可轉載。版權所有（2023）WILEY。

4. 未來展望

磁輔助作為一種提高摩擦材料動態響應范圍和有序控制摩擦材料性能的手段，增強了摩擦材料的環境適應性和輸出性能，其潛在應用將擴展到智能采礦、智能海洋、環境安全、醫療健康、人機交互、國防軍事、城市交通、智能家居等多個領域。然而，要實現大規模應用，相關研究仍需進一步推進。因此，在文章中對這三個研究方向的未來發展分別提出相應建議。

結構方面，(1)加強磁性器件的有效屏蔽和封裝，以防止磁場對外部器件的干擾; (2)設計戰略性陣列和聯網器件，以改變能量體積，增強通用性; (3)通過3D打印技術等結合技術以及大規模生產來保證摩擦電器件的一致性和穩定性。

材料方面，(1)使用可編程磁操作制備復雜的摩擦材料結構；(2)開發高靈敏度，自供電傳感，利用基于鐵磁流體的TENGs的優越機械響應；(3)通過外部磁場控制磁性微結構，為微觀驅動提供動力，如藥物輸送。

系統方面，(1)開發非接觸式人機界面在危險場景中的應用；(2)通過深度學習算法或處理電路確保信號的可重復性和穩定性；(3)通過采集和中央微控制器(MCU)的集成實現整個自供電系統的完整性。

5. 作者簡介

牟笑靜

重慶大學

牟笑靜，重慶大學光電工程學院教授，博士生導師，國家重點研發計劃項目首席科學家，海外高層次人才引進計劃國家特聘專家（青年），重慶市“儀器科學與技術”學科學術技術帶頭人，重慶市“百名海外高層次人才聚集計劃”特聘專家，重慶市杰出青年科學基金獲得者。現任重慶大學微納系統及新材料國家級國際聯合研究中心主任，新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室副主任，擔任國家科技部重點研發計劃多個專項和國家自然科學基金委項目會評專家。主要從事先進微納聲學器件、微納能源、壓電薄膜材料與器件、光學超材料等技術研究，取得了基礎理論、材料制備、器件設計、工藝集成及器件應用的全鏈條研究成果。主持有國家重點研發計劃項目/課題、國家自然科學基金航天聯合基金重點項目、JKWGFKJ創新特區項目、國家自然科學基金面上/青年基金和裝備預研教育部聯合基金等國家級項目20余項。獲得新加坡杰出工程成就獎、重慶市自然科學二等獎（排名第1）、中國儀器儀表學會科技進步二等獎（排名第1）2項、新加坡科技局航空項目成就獎（排名第1）、中國產學研合作獎2項（排名第1）和重慶市十佳科技青年獎等獎勵多項。以通訊作者身份在《Nat. Commun》《 Adv. Mater》《 InfoMat》《Adv. Sci》等期刊上發表論文100余篇；已授權和發表專利60余項；參與編寫藍皮書2部；參與制定團體標準一項，另有兩項國標正在參與制定中。現為全國專業標準化技術委員會全國醫療裝備產業與應用標準化工作組委員、中國能源研究會電力傳感和智能分析專業委員會委員、中國儀器儀表學會理事、中國儀器儀表學會微納器件與系統技術分會理事、中國儀器儀表學會傳感器分會理事、中國微米納米技術學會微納執行器與微系統分會理事、中國微米納米技術學會青年工作委員會委員、重慶市聲學學會副理事長、多個行業頭部企業和研究院工程中心主任以及《Sensors International》主編、《Micromachines》和《壓電與聲光》等期刊編委。

Chengkuo Lee

新加坡國立大學

Chengkuo Lee，新加坡國立大學電子與計算機工程系副教授，格羅方德首席教授。2015年任新加坡國立大學智能傳感和微機電系統中心主任。研究領域涵蓋微機電系統傳感器、光學器件、可穿戴傳感器、基于物聯網和人工智能的智能傳感系統。目前已在國際學術期刊發表SCI論文420余篇，被引用超過21000次，H-index為77，獲邀講座報告超過80次。其中通訊作者在權威學術期刊（影響因子>14）包括《Nat. Photonics》《Adv. Mater.》 《Adv. Energy Mat.》《InfoMat》《Advanced Science》《Nat. Commun.》《Sci. Adv.》《ACS Nano》《Nano Energy》等發表論文150余篇。作為大會主席主持了大型國際會議IEEE OMN 2016, NEMS 2018等，擔任《Nature》《Science》《 Joule》《Nature Electron.》《Nat. Photonics》《Nat. Commun.》《Sci. Adv.》《ACS Nano》等期刊審稿人，擔任國際期刊《IEEE Trans. Nanotechnology》的副主編和《International Journal of Optomechatronics》等期刊主編。

壓電電子學神經形態器件：原理、制造及應用

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿:作者 編輯：范珂艷 梁煜 審核：關利超

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