22年5篇顶刊速览“摩擦纳米发电机之父”王中林院士团队系列成果

一、背景介绍

摩擦纳米发电机(TENG)由王中林及其团队于2012年首先发明，其目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种颠覆性的技术并具有史无前例的输出性能和优点。TENG的发明是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现，这为有效收集机械能提供了一个全新的模式。和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，同时还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。

二、文献分析

1、助力农作物增产

第一作者：Li Xunjia

通讯作者：骆健俊、平建峰、王中林

通讯单位：中国科学院纳米技术创新中心

论文链接：https:/ / doi.org/10.1038/ s43016-021-00449-9

发表日期：2022年1月13日

环境能量产生的电场对作物生长的刺激

由于农业活动对环境的破坏，生态友好技术对农业可持续发展具有重要意义。在这里，王中林教授团队和浙江大学生物系统工程与食品科学学院平建峰教授合作报告了一个风和雨能源驱动的电刺激系统，以提高作物产量。该系统以全天候摩擦电纳米发电机(AW-TENG)为基础，由轴承-毛发结构摩擦电纳米发电机(TENG)和雨滴驱动的摩擦电纳米发电机(TENG)组成。该系统经自生高压电场处理后，可使豌豆种子萌发速度提高26.3%，豌豆产量提高17.9%，主要是电场诱导植物的生理活性增强所致。通过收集环境风和雨滴能量，AW-TENG可用于驱动各种农业传感器，以优化植物生长。该研究为自动力系统安全、高效、环保的农业生产改进提供了新的方向，有望对可持续经济建设产生深远的贡献。

2、解码唇语

第一作者：Lu Yijia

通讯作者：王中林

通讯单位：清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29083-0

发表日期：2022年3月16日

使用具有深度学习的摩擦电热传感器解码唇语

唇语是声带病变、喉舌损伤患者在日常生活中一种不占用双手的有效的语音沟通方式。唇语的收集与解读具有挑战性。在此，王中林教授团队提出了一种新型的唇语解码系统的概念，该系统具有自供电、低成本、接触和柔性摩擦电传感器，以及一个训练有素的基于原型学习的扩展递归神经网络模型。该文详细研究了摩擦电传感器在不同力和频率下的开路电压、短路电流、串并联、负载曲线和耐久性等基本特性。收集典型单词的唇动信号，并与同步的声音进行比较。比较分析了语速和唇动方式对沉默语音和语音信号的影响。在听到声音之前，嘴部动作所需的时间被计算在特定的单词上。嘴唇信号在一个特定的词组中采样，用机器学习(ML)模型进行训练。该模型在训练20个类(每个类100个样本)时，测试准确率达到94.5%。这些应用，如身份识别开门、玩具汽车的方向控制、唇动语音转换等，都取得了良好的效果，显示出了很大的可行性和潜力。这一工作为没有语音的人们提供了一种无障碍交流、便捷生活、提高幸福感的方法，丰富了唇语翻译系统的多样性，具有潜在的应用价值。

3、详解压电材料

第一作者：Chen Chaojie

通讯作者：王中林

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院材料研究所

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29087-w

发表日期：2022年3月17日

一种从接收到的“压电”信号中定量分离压电组件的方法

聚合物压电器件在开发可穿戴力传感器、纳米发电机和可植入电子器件等方面具有广阔的应用前景。由它们产生的电信号通常被认为仅仅来自压电效应。然而，由压电器件与接触物体之间的接触带电产生的摩擦电信号会产生不可忽略的界面电子传递，往往与压电信号结合产生摩擦电-压电混合输出，导致测量的“压电”信号被夸大。在此，王中林院士团队阐明了传统压电器件的输出信号组成，并发展了一种不考虑CE引起的摩擦电信号干扰的从混合输出中定量提取压电部分的有效方法。对于典型的夹层结构聚偏氟乙烯（PVDF）器件，压缩过程中同时存在SE-TENG和PENG，产生摩擦-压电混合输出。该方法对基于PVDF的器件的力信号进行分析，可以在时域上将摩擦电和压电部分与混合输出区分开来。更具体地说，摩擦电部分发生在物体与装置接触前后，而压电部分只在物体与装置接触时才存在。该研究为实际测量中压电器件的输出组成提供了深入的见解，并提供了一种简单的方法来分离压电元件和混合输出。这将有助于未来研究人员评估柔性压电器件的真实压电性能，有利于开发下一代高性能压电材料，促进其在可穿戴电子领域的应用。

4、水下无线通信

第一作者：Zhao Hongfa

通讯作者：徐敏义、谢广明、王中林

通讯单位：大连海事大学轮机工程学院

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31042-8

发表日期：2022年6月9日

用纳米摩擦发电机产生麦克斯韦位移电流进行水下无线通信

由于水下环境的复杂性，水下通信是一个关键而具有挑战性的问题。该文介绍了一种利用纳米摩擦电发生器（TENG）产生的麦克斯韦位移电流进行水下无线通信的方法。该文提出并研究了利用麦克斯韦位移电流进行水下通信的方法。在麦克斯韦位移电流中，第一项∂E/∂t产生了电磁波。然而，在水下环境中，高频率电磁波很容易被吸收，低频电磁波只能通过几公里长的天线传播。在这项研究中，麦克斯韦位移电流的第二项(∂P/∂t)被用于水下通信。通过连接到发射电极上的声学驱动的TENG在水中产生交变电场，使空气中的声音转化为水下电信号，通过连接到静电计的接收电极进行测量。通过100米长的盐水管，电流信号峰值较原始信号降低66%，电信号在传输过程中波形不失真。基于开关键控方法，通过在水箱中调制电流信号，以16比特/秒的速度成功传输文本和图像。在整个连续传输约2万个数字信号的过程中，没有出现错误。通过成功地将声音转换成电流信号，TENG能够无线控制水下照明系统。另外，采用三明治式TENG输出的电流信号可以在50 m × 30 m × 5 m的水池内传输，信号实时显示在屏幕上。与传统的声波、光学和电磁通信相比，通过麦克斯韦位移电流进行水下通信似乎不太容易受到干扰，在复杂的水下环境中显示出相当大的应用潜力。

5、制备摩擦电聚合物薄膜

第一作者：Liu Zhaoqi

通讯作者：黄照夏、王中林

通讯单位：中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31822-2

发表日期：2021年7月14日

反复流变锻造法制备超高表面电荷密度的摩擦电聚合物薄膜

高电荷密度的摩擦电聚合物是推动摩擦电纳米发电机广泛应用的基础。该文开发了一种基于重复流变锻造的摩擦电聚合物的制备方法。重复锻造法制备的氟化乙烯丙烯膜不仅具有优异的机械性能和良好的透射率，而且可以保持超高的摩擦电荷密度。基于厚度为30μm的薄膜，接触分离纳米发电机的输出电荷密度达到352μC·m−2。然后，将相同的薄膜应用于具有空气击穿模式和510μC·m−2电荷密度的纳米发电机进一步实现。重复锻造法可有效调节氟化乙烯丙烯的表面官能团组成、结晶度和介电常数，从而获得优异的摩擦带电性能。最后，在分子结构和相关制备工艺的基础上，总结了提高摩擦电聚合物带电性能的关键参数，以指导摩擦电聚合物的进一步发展。