摩擦纳米发电机（或“TENG”）并不是该区块的最新技术。然而，全球研究表明，它们可能会通过运动的力量改变能量收集技术。
最近在可穿戴设备行业吸引了更多研究的一种无名能量收集现象是摩擦电，或通过材料之间的接触和运动（本质上是摩擦）产生的小规模电力。
作为一种自供电解决方案，摩擦纳米发电机(TENG)已成为物联网领域嵌入式设计人员越来越有吸引力的解决方案，因为它们将机械能转化为电能。
对纳米发电机不同应用的描述。
作为最近使用案例的一个例子，来自阿尔弗雷德州立大学的大学研究人员使用磁致动器开发了用于口罩和一般可穿戴设备的TENG。TENG还能如何展现未来能量收集技术的前景？
什么是摩擦纳米发电机(TENG)？
早在年，佐治亚理工学院和中国厦门大学的研究人员就发现了TENG并制造了摩擦发电机(TEG)。该装置依靠静电感应原理，将各种机械能转化为电能。TENG可以从步行、振动、人体运动、风、旋转的轮胎和流动的水中收集能量用于电气化。
TEG的示意图。
摩擦类型：接触分离和滑动
TENGs有两种主要的操作模式：接触分离和滑动。
接触分离模式涉及TENG的两个部分相互接触和分离。这些部件由交换电荷的不同材料制成，使它们具有不同的电势。这个过程导致电流在连接在每个部件背面的电极之间流动。
滑动模式涉及两种材料相互滑动以在表面上产生电荷。与接触分离一样，这些不同的电位会导致电流在两种材料背面的电极之间流动。
TENGs的两种主要模式：a）垂直接触分离和b）横向滑动。
TENG材料
TENG的性能取决于用于开发它们的材料；不同的材料具有不同的摩擦电荷。电位叠加原理意味着输出电压和电流受摩擦电荷密度的影响。
用于开发TENG的材料必须容易产生摩擦电荷并具有不同的摩擦电极。TENG通常由聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺、聚偏二氟乙烯(PVDF)和丝绸材料制成。
摩擦电的实际应用
由于TENG的摩擦起电和能量收集优势，研究人员一直在将该技术用于许多嵌入式应用的测试，尤其是那些涉及自供电传感器的应用。
无线传感器
摩擦电可用于创建称为摩擦电传感器(TES)的自供电传感器。早在年，中国研究人员就与佐治亚理工学院的研究人员合作开发了一种“基于接触带电的自供电、超灵敏、灵活的触觉传感器”。
TES的结构夹在几层中：顶部是一层由聚合物纳米线改性的氟化乙烯丙烯(FEP)。接下来是三层结构——一层聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和两层透明的氧化铟锡(ITO)。最后，底层由尼龙薄膜制成。
a)TES传感器的层，b)聚合物纳米线，和c)制造的TES传感器的图。
当施加20mN的力时，TES会产生相应的35V。研究人员还发现，如果TES与信号处理电路集成，输出电压可以抵消警笛警报（事实上，这是研究中演示的一项实验）。
生物力学监测
TENG也是生物特征健康监测的一个兴趣点。今年，来自广西大学、中国科学院和佐治亚理工学院的一些研究人员开发了一种使用TENG进行健康监测的智能可穿戴传感器(SWS)。
他们的SWS由PTFE纳米线薄膜和一个铁（Fe）球组成，铁球模制成带有铜电极的丙烯酸环，可以放在衣服上。Fe球在PTFE层内的运动导致PTFE下方的电极产生不均匀的电荷分布。
因此，电极之间的电子转移对于平衡局部电位分布并产生与铁球运动相对应的电流是必要的。
a)SWS的层和b)物理SWS的图。
研究团队在医疗场景中研究了他们的传感器，例如跌倒警报系统和睡眠监测。SWS与其他组件协同使用，能够在这些场景中发送和分析生物识别信息。
虽然这只是TENG的众多形式之一，但问题仍然是TENG和摩擦电技术是否会超越研究领域。
TENG的机遇与挑战
太阳能电池、压电纳米发电机和热电电池等能量收集技术正在兴起——似乎TENG可能是另一种技术。TENG的支持者声称这些设备可以与其他发电机或能量收集器配对以形成混合系统，从而提高输出性能和稳定性。
TENG具有能量转换效率高、制造容易、成本低和功率密度高的特点。尽管如此，TENG也面临着技术挑战。
例如，TENG不适合高性能应用。它们也容易磨损，但如果将石墨烯、碳纳米管和纳米银墨水等材料纳入未来的TENG设计，可能会提高性能和耐用性。TENG还需要足够的包装来保护它们免受环境因素的影响。
随着未来的研究揭示应对这些摩擦电挑战的补救措施，TENG有可能成为未来自供电嵌入式系统的常见关键。