摩擦传感器:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》

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摩擦传感器:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》原标题:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》TriboelectricEnergyHarvestingandSensin

摩擦传感器:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》

原标题:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》

Triboelectric Energy Harvesting and Sensing (TENG) 2020-2040

摩擦起电是一种很普遍的、很古老的现象,无论是梳头、穿衣还是走路、开车都能遇到。大概从古希腊时期开始,这个现象就几乎是每个科研工作者,甚至是每个人都知道的物理现象。但是,人们常常认为摩擦起电是一种负面效应,在许多情况下人们都通过各种技术途径来回避摩擦起电。2012年,美国佐治亚理工学院的王中林教授小组发明了基于摩擦起电效应和静电感应相结合的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG),能够将机械能转化为电能。

基于摩擦电的能量收集器——摩擦纳米发电机的四种基本工作模式:(a)垂直接触-分离模式;(b)水平滑动模式;(c)单电极模式;(d)独立层模式

摩擦纳米发电机是一项颠覆性技术,具有史无前例的输出性能和优点。与经典的电磁发电机相比,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。同时它也可以作为自驱动的传感器来感知由机械触发所产生的静态和动态过程的信息。

据麦姆斯咨询介绍,摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元,在其内部的电路中,由于摩擦起电效应,两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差;在外部电路中,电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动,从而来平衡这个电势差。现在,发展摩擦纳米发电机技术显得非常关键,也非常有必要,因为摩擦纳米发电机是一种非常有前途的能量收集方式,它不仅能收集大规模的能量也能攫取小尺度的能量。利用摩擦纳米发电机技术,很有可能能够解决全球能源短缺,也能够推动个人电子产品和自驱动系统的发展。 纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用,有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。

基于摩擦纳米发电机的自驱动传感系统

这种摩擦纳米发电机可以采用透明的柔性材料制造,未来它将有望取代普遍使用的触摸显示装置。此外,摩擦纳米发电机还可以用作高灵敏度压力传感器。研究人员称,这种压力传感器非常敏感,即便是落下的水滴或是飘落的羽毛这样的微小压力也会被准确地“感觉”到,该装置有望在有机电子材料和光电系统中获得应用。

(a)(b):基于摩擦纳米发电机的自驱动压力传感器;(c)(d)(e):位置传感器(来源:北京大学Nano Energy综述:基于摩擦纳米发电机的自驱动电子皮肤)

(a)(b):基于摩擦纳米发电机的自驱动应变传感器;(c)(d):滑动传感器(来源:北京大学Nano Energy综述:基于摩擦纳米发电机的自驱动电子皮肤)

摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源,也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源,还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。

收集各种不同形式机械能的摩擦纳米发电机实物照片。这些摩擦纳米发电机和对应的机械能形式包括:(a)手指敲击的能量;(b)空气流动和风能;(c)平面内滑动能量;(d)封闭腔体的摩擦纳米发电机用来收集水能和机械振动能;(e)可以用纺织物收集的人体运动的动能;(f)用透明的摩擦纳米发电机来收集触屏操作的能量;(g)脚踏和手拍的能量;(h)水的冲击能量;(i)用圆柱形摩擦纳米发电机来收集转动能量;(j)置于鞋内的摩擦纳米发电机用来收集走路的能量;(k)柔性的栅格结构用来收集滑动的能量;(l)圆盘式摩擦纳米发电机用来收集转动能量

在IDTechEx研究的十二种类型能量收集技术中,有五种是通过捕获运动而产生电能的。本报告对最新的摩擦纳米发电机进行技术分析、市场预测及未来展望,同时包括自供电传感器和过滤器。

本报告关注重点是摩擦纳米发电机的商业前景和如何造福社会,以及实现应用所需的匹配要素。如果您想了解摩擦纳米发电机的目标市场——汽车、电子皮肤、可穿戴设备、海浪发电等,那么本报告刚好适合!

基于摩擦纳米发电机的电子皮肤总览(来源:北京大学Nano Energy综述:基于摩擦纳米发电机的自驱动电子皮肤)

基于波纹式弹性结构的摩擦纳米发电机用于波浪能收集

摩擦纳米发电机网络用于大规模收集波浪能

本报告可以帮助物联网、消费电子、电气设备、医疗保健、汽车、工业、能源等领域的投资者、潜在用户及公司明确摩擦纳米发电机的发展前景及商业化情况。报告还给出未来十年的市场预测,以及到2040年的技术路线图。

所有的机械振动能量收集在商业化方面都存在问题。摩擦纳米发电机的商业化能够成功吗?目前,摩擦电空气过滤器是第一款商业化产品。该产品源于王中林等人开发的一种高效旋转摩擦纳米发电机(R-TENG)增强型聚酰亚胺(PI)纳米纤维空气过滤器,用于环境气氛中颗粒物(PM)的去除。这种空气净化和雾霾处理的方法,具有零臭氧释放和低压降的优异性能。那么,接下来的商业化产品在哪?请您阅读本报告吧!

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摩擦传感器:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》  第1张

摩擦传感器:摩擦电传感器


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权利要求说明书
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摩擦电传感器
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基于摩擦电的传感器能够用于接收来自用
户的基于触摸的输入并控制电子设备。基于摩擦
电的传感器能够在摩擦电层的下面构造有薄膜
层。薄膜层可以包括高电阻部分和低电阻部分。
低电阻部分能够用于将摩擦电层耦合到高电阻部
分。高电阻部分能够具有弯曲形状,并且具有尺
寸和薄层电阻,该薄层电阻设计为用作基于摩擦
电的传感器的薄膜电阻器。
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摩擦传感器:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》  第2张

摩擦传感器:百事可乐与 Frito-Lay Tap 可穿戴设备减少员工伤害

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 2012 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 2014 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 20 mN 的力时,TES 会产生相应的 35 V。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。
举报/反馈摩擦传感器:《基于摩擦电的能量收集和传感(TENG)-2020版》  第3张

摩擦传感器:针对数字孪生应用的软机器人摩擦纳米发电机传感器

随着未来几年5G技术的建立,通过无线网络进行大量数据传输的成本将大大降低。在物联网(AIoT)下部署大量传感器,实现实时感知信息采集、数据管理和分析,这将使智能家居和智能制造成为可能。数字孪生(digital twin)是一个物理系统的数字拷贝,可进行实时控制,优化产品和生产线。然而,由于在网络空间建立一个与实体对等的数字系统的复杂性,取得的进展非常有限。
来自上海大学、苏州大学以及新加坡国立大学的科研团队合作报道了研制的传感系统采用图案化电极的触觉TENG (T-TENG) 传感器,可以检测软体驱动器抓手的滑动、接触位置和夹持方式。
研究成果解析
软体驱动器的弯曲角度测量通过长度TENG (L-TENG) 传感器在带电正齿轮与电负性材料之间的接触分离产生信号测得。因此,无论是由自我驱动引起的运动,还是由外界刺激引起的运动,都可以被感知。
此外,由一个单电极 T-TENG 和一个L-TENG 传感器组成的基于手套的人机交互界面用于对机械手进行实时控制,验证了实时信号处理系统。其次,为了实现反馈功能,通过3D打印制造了集成TENG 传感器的三执行器软抓手。
利用 ML 技术进行数据分析,成功演示了软体驱动器抓手感知握持状态,实现对象识别,并建立了数字孪生 演示,在虚拟现实环境中模拟机器人操作和实时目标识别。软体 TENG 传感器的建立表明数字孪生在智能工厂的生产管理和产品预测的应用上具有巨大的潜力。
图1:用于软体驱动器抓手的低成本摩擦纳米发电机 (TENG)及其digital twin应用的示意图。
图2:触觉TENG(T-TENG)传感器的工作机理及表征。
图3:长度TENG (L-TENG) 传感器的工作原理及其在HMIs中的实时验证。
图4:结合TENG传感器的软体驱动器抓手及机器学习训练结果。
图5:长度TENG (L-TENG)和触觉TENG (T-TENG)传感器与digital twin无人仓库系统、机器学习(ML)技术集成。
该工作提出并研究了一种结合两个TENG传感器的软体驱动器传感抓手系统。通过T-TENG传感器与L-TENG传感器结合,无论是自我驱动还是外界刺激引起的运动都可以被感知。
传感系统的实时信号处理能力表明了实现该系统在人机界面应用的潜力。基于改进的软体驱动器抓手, 在重复的虚拟环境中,该数字孪生模型可以模拟机器人操作和实时目标识别,并可以在下一代智能无人工厂和车间管理仓库方面进一步用于装配线生产控制管理。
参考资料:
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