永磁式直流测速发电机实验数据（摩擦纳米发电机）

永磁式直流测速发电机实验数据（摩擦纳米发电机）摩擦纳米发电机具有高电压输出的特性，从而可以很容易地击穿气体。清华大学研究团队提出了一种摩擦电微等离子体（Triboelectric Microplasma）的概念，通过结合摩擦纳米发电机和等离子体发生器，在机械驱动下便能够在大气中产生等离子体。结果表明，摩擦电微等离子体可以在氮气、氩气和氢气中发射出紫外辐射。研究团队研究了介质阻挡放电（DBD）、大气压非平衡等离子体射流（APNP-J）、电晕放电和微火花放电4种典型的大气压微等离子体源，并针对这4种类型的微等离子体，分别进行了电特性分析、发射光谱分析、COMSOL仿真和等效电路模型分析，来揭示不同放电的瞬态过程。同时，测量了摩擦电微等离子体发射光谱的绝对强度和相对强度，研究了等离子体源的电极间距、电极直径、气体流量等重要因素对微等离子体放电性能的影响。该微等离子体已初步应用于图形发光和表面处理，证明了该系统的可行性。等离子体作为物质的第四

自2012年摩擦纳米发电机发明以来，科学家们通过卓有成效的工作验证了这种新的发电模式在能量收集、微纳能源、自驱动传感、海洋能发电、高压电源、信息安全、环境监测、智能家居、可穿戴设备、物联网以及生物医学等方面大有可为，这是否预示着由摩擦起电和静电感应引发的能源革命正悄然而至？

如果说哪种发现对人类世界产生的影响是决定性的，那么电一定算是其中之一。如今电力在我们的生活中无处不在，人类的衣食住行无不依赖于电力。然而令很多人没有想到的是，生活中令人避之不及的摩擦静电，收集起来也可以让人类拥有俯首即是的新能源，而这要得益于一种被称为摩擦纳米发电机（TENG）的装置。

当两种不同材料在外力作用下互相接触（摩擦）时，其表面会由于摩擦起电效应带有不同电性的静电荷，同时会在材料背面电极上感生出异种电荷；当接触表面受外力分离时则会在电极间产生电势差，若电路闭合则会形成电荷流动。基于摩擦起电效应与静电感应原理的摩擦纳米发电机最早由王中林院士于2012年提出，可以有效将环境中低频振动的机械能（例如人体运动、水波、风甚至雨滴的机械能）转化为电能，是一种具有较高内部容抗的电荷源，主要包括4种工作模式——垂直接触分离式、水平滑动式、单电极式和独立层式。

摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低廉、柔弹性强、低频高效、电压较高和选材广泛等显著特点。与电磁发电相比，摩擦纳米发电机在低频（低于5赫兹）条件下拥有更高的输出特性，是电磁发电机的有益补充。近年来摩擦纳米发电机在微纳能源、自驱动传感、海洋能发电、高压电源等领域取得了诸多丰硕的成果，在可穿戴设备、物联网、5G等技术对分布式能源日渐依赖的时代，拥有极大的应用潜力。例如，利用摩擦纳米发电机可通过海浪发电形成“蓝色能源”，可以收集心脏跳动能量为心脏起搏器供电，可以产生千伏高压电离液体用于质谱分析，可以感知人体皮肤微小振动实现人机交互……

摩擦纳米发电机天然具有高电压（几千伏）、低电流（几微安）的输出特性，在外接电极间容易产生高压静电场，在特定场景下是一种理想的高压电源，这也被认为是未来摩擦纳米发电机发展的一个重要方向。清华大学及其科研合作团队在此方面进行了卓有成效的探索。

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摩擦电微等离子体

等离子体作为物质的第四态，在核聚变、激光、半导体、生物医学、纳米技术、表面处理和航空航天等领域发挥着重要的作用。在大多数情况下，等离子体源需要通过外部电源来产生和维持，整个系统的移动性较差，这极大地阻碍了等离子体的应用。

摩擦纳米发电机具有高电压输出的特性，从而可以很容易地击穿气体。清华大学研究团队提出了一种摩擦电微等离子体（Triboelectric Microplasma）的概念，通过结合摩擦纳米发电机和等离子体发生器，在机械驱动下便能够在大气中产生等离子体。结果表明，摩擦电微等离子体可以在氮气、氩气和氢气中发射出紫外辐射。研究团队研究了介质阻挡放电（DBD）、大气压非平衡等离子体射流（APNP-J）、电晕放电和微火花放电4种典型的大气压微等离子体源，并针对这4种类型的微等离子体，分别进行了电特性分析、发射光谱分析、COMSOL仿真和等效电路模型分析，来揭示不同放电的瞬态过程。同时，测量了摩擦电微等离子体发射光谱的绝对强度和相对强度，研究了等离子体源的电极间距、电极直径、气体流量等重要因素对微等离子体放电性能的影响。该微等离子体已初步应用于图形发光和表面处理，证明了该系统的可行性。

相比传统的等离子体，这种微等离子具有灵活易携带且安全的优点，不需要额外的电源供应便能产生摩擦电等离子体。通过引入整流器或变压器等，可以改善摩擦电等离子体的特性。得益于摩擦纳米发电机的高电压低电流的天然特性，摩擦电微等离子体在个体细胞培养、治疗和凋亡、物质检测、元素分析、紫外准分子等方面具有巨大的潜在应用价值。

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摩擦电驱动电喷射

在不同衬底上沉积功能油墨的方式制造电子器件，被称为印刷电子技术。与传统的制造方式（如光刻）相比，印刷电子器件具有制造工艺简单、适用于柔性衬底、兼容大面积衬底以及制造成本低等优点。其中电流体喷墨打印在高分辨率电子印刷方面应用潜力巨大，现已被成功应用于打印导电油墨、DNA、量子点和小有机分子等材料。然而，传统的高压电源通常成本较高，而且会影响到衬底和周围的仪器，并对操作人员的安全产生一定威胁。

相比传统高压电源，摩擦纳米发电机具有前所未有的便携性和安全性。摩擦纳米发电机的高电压输出（1～10千伏）可由生物机械运动驱动以供紧急使用、由环境运动驱动或在长时间使用时由小型电机驱动，消除了对复杂电力转换器的需求，从而降低了系统的复杂性和成本。与直流高压商业电源相比，摩擦纳米发电机有限的电流大小和周期性的电荷转移也不会对操作人员和仪器产生威胁。

研究团队首次探索了摩擦纳米发电机在印刷电子领域的应用。演示了一个旋转式独立层摩擦纳米发电机和一个简单的升压电路驱动电流体喷墨打印的过程。采用高速摄影技术，研究了喷嘴尺寸与移动速度、喷嘴与衬底的距离、电机转速等印刷参数对液滴形成和喷射过程的影响。结果表明，较小的喷嘴尺寸、较大的喷嘴移动速度和适宜的喷嘴与衬底之间的距离将产生较小的特征尺寸。使用研究团队的摩擦纳米发电机驱动电流体喷墨打印装置，可以实现比喷嘴尺寸更小的高分辨率打印。通过艺术图形的打印、导电互连和触摸传感器的制作等几个演示，验证了摩擦纳米发电机驱动的电流体喷墨打印的实际应用效果。这项研究不仅拓展了摩擦纳米发电机的应用领域，也为驱动高分辨率电流体喷墨打印提供了一种新的方式。

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摩擦电辅助细胞打印

模块化组织工程（Modular Tissue Engineering）是一种构建具有特定结构特征的体外微组织，其利用模块化单元自下而上设计和组装形成生物组织的技术，可以制造结构复杂的仿生人工组织，应用于细胞治疗、再生医学、人造器官以及药物筛选等领域。实现这一过程的第一步是制造用于搭建复杂组织的“积木”，而包载着活性细胞的水凝胶微球具有良好的机械性能和可组装性，为细胞的生命活动提供仿生的三维细胞微环境，是最常用的研究对象之一。高压静电场驱动的细胞打印是产生细胞微球结构体最主要的方式之一。

研究团队开发了一种由旋转式独立层摩擦纳米发电机（FRD-TENG）和电压倍增整流电路（VMRC）驱动的细胞打印装置，能够提供高达5～8千伏的直流高压输出，可稳定产生直径可控、形状规则、适合细胞培养的水凝胶微球。为评估打印过程对细胞活性等生物学性能的影响，研究人员分别采用肝脏干细胞和肿瘤细胞进行实验研究，结果显示，打印后两种细胞的存活率均超过92%。法拉第屏蔽盒测量结果显示，利用摩擦纳米发电机打印的微球所带电量（34.40±4.48 pC）相对于商业电源（42.40±19.66 pC）更低、更稳定。这表明，摩擦电细胞打印技术可以有效且安全地应用于生物学和医学领域，并具有打印电敏感性细胞的潜力。

实验结果证明，摩擦纳米发电技术是现有细胞打印技术的有益补充，在无法使用传统电源的场景下具有技术竞争优势，同时佐证了摩擦纳米发电机在合适的场景下，可以直接作为一种简单有效的高压电源。这一技术的提出为简单、高效、安全地实现细胞打印及其在生物印刷、生物制造以及药物输送等领域的应用开辟了新路径，为生物医疗技术与摩擦发电技术的结合提供了新的可能。

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摩擦电驱动离子扩散

一直以来，地球上可直接饮用的清洁水源十分稀缺，直饮水消毒技术获得学术界和工业界的广泛关注。为了解决这类应用中对电源独立和成本控制的需求，研究团队提出了“摩擦泵”的概念。

“摩擦泵”是一种低成本的手动直饮水消毒系统，主体消毒装置由一个带有同轴电极的铜离子化腔（CECIC）、可手摇驱动的同轴转动机构组成。其中，同轴转动机构包含了盘式摩擦纳米发电机（D-TENG）、变速器和水泵。

摩擦纳米发电机的输出电压作用在CECIC的同轴电极上，在电场作用下中心铜丝释放出铜离子，起到杀菌作用（铜离子浓度极低，对人体无害）。其实，CECIC与摩擦纳米发电机在实际应用中都存在技术瓶颈。前者受限于电源或电池不能应用于野外，同时系统阻抗受水质、流速、温度、腔室体积影响较大。为保证铜离子稳定释放，利用控制电路输出恒流是十分必要的。而对摩擦纳米发电机而言，其高电压、低电流输出难以直接驱动电子设备，通常需要电源管理电路来实现与负载的匹配。研究团队在本应用中综合利用了摩擦纳米发电机与CECIC各自的特点，使CECIC工作在摩擦纳米发电机的接近短路状态，自动适应不同负载阻抗变化，大大简化了电源管理电路；同轴化设计使得二者可同时被手摇驱动。该技术将二者劣势转化为了优势，实现了协同设计优化，为直饮水杀菌这一重要需求提供了经济而有效的一站式解决方案。

生活中摩擦无处不在，但是摩擦电很难被收集和利用，直到摩擦纳米发电机的出现，人类利用摩擦发电的梦想才被重新点燃。摩擦纳米发电机自2012年问世以来已经取得长足的发展，其理论起源可以追溯到麦克斯韦方程组的位移电流概念，具有独特的高电压和低电流输出特性。摩擦纳米发电机可以作为传统高压电源的替代选择，具有前所未有的便携性、柔性和安全性。同时，由于消除了对变压器或转换电路的需求，因而降低了系统的复杂性和成本。与直流高压商业电源相比，摩擦纳米发电机有限的电流大小和周期性的电荷转移也更有助于保障操作人员和仪器的安全。基于摩擦纳米发电机高压电源所具有的柔性、可控、便携和安全等优点，我们有理由相信，小巧灵活的摩擦纳米发电机将成为人类迈向未来不可或缺的新动能。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年3月刊。